孙举陶课后题答案整理

第一章

1.材料为什么要复合？（原因）

a一种材料在某一方面的性能可能是优异的。

b 很多材料的性能已经得到了充的发展，继续提高只能是通过复合。

c单一材料追求高性能价格很高，复合可以降低成本

d传统材料及其局限性

4复合材料的定义与分类?

复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过一定的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。

5 复合材料区别传统共混材料的特点。

1.多相结构存在着复合效应（复合材料是组分间被明显界面区分的多相材料，复合材料性能取决于各组分相性能的协同）

2.复合后各组分物理化学性质不变（区别于化合物和合金）

3.3. 人工制造（可设计性，区别于天然复合材料）

6 复合材料三大要素及其作用。

基体作用：成形、防护、传递载荷

界面作用：传力

增强体：受力，承担载荷

7复合材料复合的四大原理。

1.复杂的环境响应2．复杂微结构设计3．结构不均匀性4．界面稳定性

第二章

1.什么是复合效应？

对于由A、B两种原材料复合而成的材料C，其性能既包含A、B两种原材料所固有的性能，又具有A、B两种原材料所不具备的新性能。

2.复合效应的本质是什么？

复合效应本质是组分A、B的性能，及两者间形成的界面性能，相互作用、相互补充。为复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。

3.作业1：请描述纤维间距随体积分数的变化情况，即计算（s/r）在Vf= 0.3、0.4、0.5及0.6时的值并采用画图的方式做出说明，其中纤维排布方式：六边形。提示：横坐标：Vf，纵坐标：s/r

4.作业２假设2 wt%二氧化钍（ThO2）加入到镍（Ni）中，ThO2颗粒直径为100 nm，已知ThO2和Ni的密度分别为9.69和8.9 g/cm3，请计算每立方厘米的复合

材料中有多少个ThO2颗粒。（假设界面上没有反应产物）wt%: 质量分数。

5、作业3银-钨复合材料可作为电触头材

料，先由粉末冶金方法制备得到多孔钨，再将纯银浸透到孔洞内制备得到复合材料。已知浸渗之前多孔钨的密度是14.5 g/cm3，计算

孔所占的体积分数及浸渗后银在复合材料中的质量分数。纯银和纯钨的密度分别为：10.49g/cm3和19.3g/cm3 。

6、复合效应包括哪两大类？各有几种效应？简述各种效应的意义。

线性效应、非线性效应

线性效应：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应

平均效应：是复合材料所显示的最典型的一种复合效应，表示公式为：Pc＝PmVm+PfVf；Ec=EmVm+ EfVf（适用对象:a 复合材料的密度。b 单向纤维复合材料的纵向c 杨氏模量、纵向泊松比。）

平行效应：组成复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的作用，即无制约也无补偿。本质：主要是指复合材料的某项性能与其中某一组分的性能基本相当。（举例：玻纤增强环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能与环氧树脂的耐腐蚀性能基本相当。增强体(纤维)＋基体界面很弱的复合材料。)

相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。本质：复合材料某项性能，其主要取决于组分A和

组分B的该项性能。当组分A和组分B的该项性能均具有优势时，则在复合材料中获得相互补充。（举例：对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补。）

相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，若组分间能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。举例脆性的纤维增强体＋韧性基体＝复合材料(界面结合很强)显示为脆性断裂。玻璃纤维增强树脂＋硅烷偶联剂＝树脂基体复合材料）

非线性效应：

相乘效应:两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应。举例电磁效应材料＋磁光效应的材料＝电光效应复合材料

诱导效应:在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材料界面的两侧发现。(Eg：结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向作用。）

共振效应：某材料组分具有一系列性能，当与另一组分复合后，该组分的某一性能得到突出发挥，而其他性能受到很大抑制。Eg:材料的固有频率

系统效应：多种组分复合后，复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。（Eg:红黄蓝三色光显示各种颜色交替层叠镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值）

7、材料的复合效果包括哪些方面？简述其意义。

组分效果、结构效果、界面效果

复合材料的复合效果:

1、组分效果：仅考虑相对组成作为变量，不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响时产生的效果称为组分效果。加和特征：复合材料的某一性能是各组分性能的按体积分数的平均值。复合材料的某些基本物理参数，如密度、比热容，往往是近似具有加和作用的组分效果。

2、结构效果：a几何形态效果(形状效果), b分布状态效果(取向效果),c尺度效果复合材料性能用组分性能和组成来描述时，必须考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等可变因素产生的效果。这类效果往往可以用数学关系描述

3、界面效果：界面结构(物理结构和化学结构)的变化引起复合材料性能的变化。基体与增强体或功能体复合效果的主要因素。只有界面效果的存在，才能充分地显示复合材料的各种优越性能。

8、复合材料的性质包括哪些方面？

1、固有性质：复合材料在各相之间不相互作用所表现出来的材料性质。这类性质往往是材料性质的直观表现，如材料的密度、比热容。

2、传递性质：材料的传递性质是材料在外作用场作用时，表征某通量通过材料阻力大小的性质，诸如导热性质(导热系数)、导电性质(电阻率)等等。

3、强度性质（材料的强度特性是材料承受外作用场极限能力的表征。材料的力学强度是材料承受外力的极限能力，如拉伸强度、冲击强度等；材料对电场承受能力，则为电击穿强度。）

4、转换性质（前面提到的材料复合的相乘效应是复合材料转换性质的典型效应。由于材料转换性质的复杂性，确定其一般规律是困难的）

9、弥散增强与颗粒增强的特点和区别。

弥散增强特点：a质点是弥散于基体中且均匀分布的球形。

b主要由基体承担载荷。

c颗粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。d颗粒直径为0.001~0.1μm，一般颗粒的体积分数为1%~15%。

颗粒增强特点：a颗粒增强复合材料是由尺寸较大（直径大于1μm）颗粒与基体复合而成。

b载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形。

c颗粒尺寸越小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。

d一般颗粒直径为1~50μm，颗粒间距为1~25μm ，颗粒的体积分数为5~50% 10、根据连续纤维增强原理，对给定基体和

增强体的复合材料，可以采用哪些措施获得优异的性能？

连续纤维增强机理：高强度、高模量的纤维承受载荷，基体只是作为传递和分散载荷的媒介。

连续纤维串联模型增强特点：a 纤维对横向强度有减弱的作用。纤维在与其相邻

的基体中产生的应力和应变对基体产生约束，使复合材料的断裂应变比复合前要低的多。b

连续纤维并联模型增强特点：

a纤维体积份数小，复合材料强度等于基体强度。

b增强纤维体积份数增大，复合材料强度增加；

c纤维份数太大的时候，界面粘接性能差，强度下降。

11、根据短纤维增强原理，可以采用哪些措施获得优异的性能？

短纤维增强特点：a、该类材料受力基体变形时，短纤维上应力的分布载

荷是基体通过界面传递给纤维的。

B、在一定的界面强度下，纤维端部的切应力最大，中部最小。

C、作用在纤维上的拉应力是切应力由端部向中部积累的结果。所以拉应力端部最小，中部最大。

第三章

1、一滴油酸在20℃时，落在洁净水面上，已知：γ水=73×10-3 N·m-1 ，γ油酸=32×10-3 N·m-1 γ油酸,水=12×10-3 N·m-1 ，油酸与水相互饱和后，γ'油酸=γ油酸，γ'水=40×10-3 N·m-1请问：油酸在水面上开始与终了时的接触角分别为多大？

2、增强体与基体具有良好粘附的表面物理化学条件是什么？

良好粘附的热力学条件应是：

1）被粘附体的临界表面张力γC要大，以保证良好润湿。

2）粘附功要大，以保证牢固粘附。

3）粘附面的界面张力γSL要小，以保证粘附界面的热力学稳定。

4）粘附剂与被粘附体间相容性要好，以保证粘附界面的良好键合和保持强度。

3、简述增强体表面的物理特性对界面结合性能的影响。

比表面积、多孔性、表面极性、表面结构均一性、表面结晶特性

比表面积：一般认为：增强体的比表面越大，与基体结合的物理界面大，对粘合强度的贡献大。

多孔性：部分孔隙能被基体填充，部分由于很难完全浸润，界面结合不好，成为应力传递的薄弱环节。

表面极性：极性的基体与极性的增强体有较强的界面结合，因而也就有较强的界面结合强度及复合材料强度。

增强体表面的均一性：分布均匀：界面结合均匀、完善；分布不均：在界面局部形成缺陷，形成弱界面。

增强体表面的结晶特性：表面晶体越小表面积就越大，增加与基体的粘结面。

4、为什么玻璃纤维增强的复合材料中，一旦水浸入界面，就会导致复合材料性能的下

降？

由于吸附水的作用，吸附水与玻璃纤维中的碱金属或碱土金属发生反应，玻纤表面带有－Si－OH基团。玻璃纤维成分中含碱量越高，吸附水对SiO2骨架的破坏愈大，纤维强度下降就越大。

5、复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻两组分相外，还具有哪些特点；

1.非单分子层：其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样；界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分。

2.具有一定厚度：其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料性能特征。

3.界面相的体积分数很大（尤其是纳米复合材料）界面效应显著。

4. 界面层随环境条件变化而改变。

5.界面缺陷形式多样（包括残余应力），对复合材料性能影响十分敏感

6、复合材料界面效应及其特点？

（1）传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，

起到基体和增强相之间的桥梁作用。

（2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。

（3）不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和尺寸稳定性等。

（4）散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。

（5）诱导效应（感应效应）：一种物质（通常是增强剂）的表面结构

使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。

7、简述复合材料界面的研究对象；

增强体表面区、基体表面区、基体-增强体相互作用区

8. 有机纤维如PE、Kevlar、PBO必须进行表面处理，而陶瓷纤维如硼纤维、SiC纤维、金属纤维一般不需要进行表面处理。

（1）表面张力大于100mN/m者称为高能固体，这些固体易被液体所润湿，如无机固体、金属及其氧化物等。

（2）表面张力低于100mN/m者称为低能固体，这类固体不易被液体所润湿，如有机固体、高聚物固体。

9. 有机纤维提高浸润性质的途径？

表面清洁、极性、粗糙度

第四章

1、计算题

已知陶瓷基复合材料Vf=0.4，未增强基体的断裂强度σmu=200MPa，界面剪切强度τi=3.5MPa，纤维半径为7μm，复合材料经多次开裂后裂纹间距达到极限值，平均裂纹间距为多大？

2.树脂基复合材料的界面结合理论？说明其优缺点。

可逆水解

优先吸附理论、防水层理论、摩擦理论、静电理论、扩散理论、酸碱平衡理论

（1）润湿理论：1、填充剂被液体树脂良好浸润是极其重要，浸润不良易在界面形成空隙，使应力集中而使复合材料发生开裂。2、液体树脂的表面张力必须低于增强体的临界表面张力。3、液体粘度要尽量低

效果是不完全的。有些浸润性很好的体系，但界面结合性能却并不高。

浸润理论的局限性：

①实验表明，剥离高聚物薄膜时所需能量达104～108erg(×10-7J)/cm2 ,这大大超过了克服分子间力所需的能量，这表明界面上不仅仅有分子间力的作用；

②实验表明，黏接功取决于黏接层剥离的速率，但分子间力的强弱不应取决于两粘结表面的分离速率，所以粘接不是仅由分子间力决定的；

③该理论是粘接剂与被粘接体的极性基团的相互作用为基础的，因此它不能解释为什么非极性聚合物间也会有粘接力。

④实验表明：玻璃表面临界表面张力为7*10-4N/cm，硅烷偶联剂溶液表面张力为（4-7）*10-4N/cm，硅烷偶联剂可润湿玻璃表面。表面涂覆硅烷偶联剂的玻璃表面张力降至（2.5-4）*10-4N/cm，小于不饱和聚酯（3.5*10-4N/cm）和环氧树脂5*10-4N/cm ，二者界面粘接强。

⑤乙烯基硅烷的表面张力为33.4mN/m，是不饱和聚酯的有效偶联剂；而乙基硅烷的表面张力与乙烯基硅烷相似，但对不饱和聚酯无效

2）化学键理论最老、应用最广

基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学反应。基体树脂与增强体间以化学键结合，界面的结合力是主价键力的作用。偶联剂是实现这种化学键结合的架桥剂；当硅烷偶联剂表面带有不饱和基团时，可提高玻纤增强不饱和聚酯树脂复合材料的强度。

处理后，力学性能可改善。而柔性聚合物与树脂和碳纤维都不起化学反应。若形成化学键，单分子层就足够了，但实际上硅烷偶联剂处理却是多层的。

（3）优先吸附理论

处理剂在界面上形成了一层塑性层，它能松弛界面的应力、减少界面应力的作用，

这种理论称为“变形层理论”。

柔性层理论：界面上可能发生增强体表面优先吸附树脂中的某些组分，这些组分与树脂有良好的相容性，可以大大改善树脂对增强体的浸润；由于优先吸附作用，在界面上可以形成“柔性层”，“柔性层”极可能是一种欠固化的树脂层，它是“可塑的”，可以起到松驰界面上应力集中的作用，故可以防止界面脱粘。

抑制层理论：在复合材料成型过程中，因优先吸附作用，增强材料表面附近的基体堆砌的比其本体更加紧密，有较高模量。随着离增强材料表面距离的增大，基体的堆砌渐渐疏松，模量减小。这样在增强材料和基体本体之间，形成了一个模量从高到低的梯度减小的过渡区。

（4）防水层理论

玻纤表面牢固的吸附一层水膜，不利于树脂与玻纤的粘接

SiO2

料性能变坏。

防水层理论认为：清洁的玻璃纤维表面是亲水的，而经偶联剂处理后变成疏水表面，该表面可防止水的侵蚀，改善复合材料湿态强度。

局限性：石蜡、凡士林也可以有效降低玻璃纤维的亲水性，但界面结合性能差。

5）可逆水解理论：该理论认为，在玻璃纤维增强的复合材料中，偶联剂不是阻

止水份进入界面，而是当有水存在时，偶联剂与水在玻璃表面上竞争结合。

（6）摩擦理论

树脂与增强体之间的粘结完全基于摩擦作用，增强体与树脂之间的摩擦系数决定了复合材料的强度。偶联剂的重要作用在于增加了树脂基体与增强体之间的摩擦系数。

依据：玻纤增强复合材料在水中浸泡后性能变差，但干燥后又部分恢复。该理论认为：水侵入界面后，摩擦系数减小，传递应力能力减弱，强度降低；干燥后界面水分减少，传递应力能力变大，故强度有恢复。

7）静电理论

根据：当两种电介质相接触时，会产生接触起电现象。另外，在一定条件下，当从被粘物表面剥离粘接剂薄膜时，由于放电和发射电子而产生特殊声响和发光现象。静电理论认为：粘接剂－被粘体可以看成一个电容器；二者各为一极板，相互接触而使电容器充电，形成双电层。粘接破坏就相当于电容器被分开，粘接功就相当于电容器分开时要抵抗的静电引力。

局限性：不能圆满解释属性相近的聚合物也能牢固粘接的事实，根据该理论，非极性聚合物之间是不能粘接的，但实际上，这类粘接具有高的粘接强度。

（8）扩散理论

认为高聚物的相互间粘结是由表面上的大分子、链段相互扩散所致，两相的分子链互相扩散、渗透、缠结，形成了界面层。

界面上大分子链段互相扩散必须满足热力学和动力学两个条件，其中热力学条件是胶粘剂与被粘物之间的相容性；动力学条件是高分子链段运动有显著的速度。

（9）酸碱作用理论：酸性表面可与碱性表面相互作用结合，复合材料界面结合性能取决于这种酸碱作用。该理论认为，酸、碱的配位作用决定了界面结合性能

3.树脂基复合材料界面破坏机理？简述水介质引起界面破坏的机理。

5种基本破坏形式：基体断裂、纤维断裂、纤维脱粘、纤维拔出、、裂纹扩展与偏转

裂纹扩展理论：1、复合材料无论是基体、纤维还是界面均存在微裂纹。

2、当裂纹受到外因素作用时，裂纹逐步扩展引起复合材料的破坏。

3、在裂纹扩展的过程中，将随着裂纹的发展逐渐消耗能量，并且由于能量的流散而减缓裂纹的发展。

界面破坏的能量流散理论：裂纹由于界面能量流散而减弱裂纹生长，或能量消耗在界面脱胶而分散了裂纹峰上的能量集中，因此未造成纤维的破坏。水的破坏：对玻纤的腐蚀作用；水引起树脂的降解；水对树脂的溶胀使界面产生应力；水进入孔隙产生渗透压导致界面破坏；水促使破坏裂纹的扩展4.简述非树脂基复合材料的界面结合类型分

类。

1、金属基复合材料界面结合类型有三类：（1）机械结合（2）溶解与润湿结合（3）反应界面结合（4）氧化结合（5）混合结合

2、陶瓷基复合材料的界面结合类型：(1) 化学结合 (2) 机械结合

(3) 扩散结合 (4) 机械结合

5.简述复合材料界面的形成过程。

复合材料中，增强体与基体间最终界面的获得，一般分为两个阶段：

第一阶段：基体与增强体在一种组分为液态(或粘流态)时发生接触或润湿过

程，或是两种组分在一定条件下均呈液态(或粘流态)的分散、接触及润湿过程。也可以是两种固态组分在分散情况下以一定的条件发生物理及化学变化形成结合并看作为一种特殊润湿过程。

第二阶段：液态(或粘流态)组成的固化过程——凝固或化学反应。6.如何对复合材料界面进行优化设计。

1）改善树脂基体对增强材料的浸润程度

2）适度高的界面粘结强度

3）减少复合材料成型中形成的残余应力

4）调节界面内应力、减缓应力集中

7.复合材料的界面分析技术？这些方法分别适合分析界面的什么性质？

常规分析：拔脱试验；顶出法（该方法适用于较粗的纤维。）；临界长度法

界面粘接能法；界面粘接能法；微滴测试法；单丝顶出实验；力学性能测试方法（最行之有效）

电子显微镜观测法、增强体表面化学组分的分析表征

增强体表面浸润性能的分析表征

第五章

1、如处理材料的比表面为7m2/g，KH-560偶联剂的最小涂覆比表面积为330m2/g,要处理材料100g，则所需KH-560偶联剂用量为：100×7330＝2.1(g)

2、什么是偶联剂？偶联剂的作用机理是什么？

偶联剂：分子两端通常含有性质不同的基团，一端的基团与增强体表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则能和基体发生化学作用或物理作用，从而使增强体和基体很好地偶联起来，获得良好的界面粘结，改善了多方面的性能，并有效地抵抗了水的侵蚀。

3、玻璃纤维偶联剂的新品种及应用范围是什么？

（1）耐高温型硅烷偶联剂；（2）过氧化物型硅烷偶联剂（3）阳离子型硅烷偶联剂（4）水溶性硅烷偶联剂（5）叠氮型硅烷偶联剂

4、玻璃纤维表面处理的方法有几种，有何

优缺点？

热处理法：热处理就是利用高温使玻璃纤维表面的原有的有机成分氧化分解，

同时除去玻璃纤维由于储存而吸附的水；高温一般350℃以上；一般需用肥皂水超声清洗，再用清水清洗；工艺简单、实用性强；单独用效果欠佳。

酸碱刻蚀处理法：通过酸碱在玻纤表面进行化学反应形成一些凹陷或微孔；

用碱刻蚀时，利用碱与SiO2生成可溶的硅酸盐；用酸刻蚀时，利用酸与玻纤表面的碱金属的氧化物Al2O3、MgO、Na2O等反应生成可溶的碱金属盐。

等离子体处理法：等离子体是具有足够数量而电荷数近似相等的正负带电

粒子的物质聚集态—被激发电离气体。利用非聚合性气体（Ar）对材料表面进行物理

和化学作用的过程——刻蚀。等离子体聚合技术改善玻璃纤维的可浸润性和

表面粗糙度,但在提高最终复合材料强度的同时却造成了其刚度下降。

稀土元素处理法：稀土元素通过化学键合与物理吸附被吸附到玻璃纤维表

面并在靠近纤维表面产生畸变区。吸附在玻璃纤维表面上的稀土元素改善了玻纤与基体的界面结合力。过多的稀土元素阻碍了靠近纤维表面畸变区的产生,故减弱了界面结合力并导致复合材料拉伸性能下降。

偶联剂处理法

5、玻璃纤维用硅烷偶联剂处理有几种方法？有何影响因素？

玻璃纤维的表面处理主要采用三种方法：后处理方法、前处理法、迁移法。

（1）后处理法：适用于使用纺织型浸润剂的玻璃纤维及制品。过程：先用洗涤法或烧灼法除去拉丝过程中涂覆在玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，再经处理剂溶液浸渍、烘焙、水洗、烘干等工艺使玻璃纤维表面被覆上一层偶联剂。

（2）前处理法：

方法：适当改变浸润剂配方，将偶联剂加入到其中，在拉丝过程中表面处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。

与后处理法相比：它可省去复杂的处理工艺及设备，使用方便；避免了因热处理而造成的纤维强度损失

（3）迁移法

就是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体掺和，在浸胶的同时将偶联剂

施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液

缺点：效果较差，一般与前处理法并用

优点：工艺操作简便，能源消耗大大降低。中到纤维表面的“迁移”作用而与纤维表面发生反应，从而在树脂固化过程产生偶联作用。

影响偶联剂处理效果的因素：

（1）偶联剂用量

（2）处理方法及工艺

烘焙温度的选择：它是使偶联剂与玻璃纤维表面发生偶联作用的关键因素之一。温度不能过低，也不能过高。

烘焙时间的选择：保证在一定烘焙温度下偶联剂与玻璃纤维表面的偶联反应能充分进行。

处理液的配制：处理液的浓度 3％；处理液的PH值；处理液的陈化时间6-8h

6、碳纤维表面处理的方法有哪些，优缺点？

1、表面清洁法

2、表面浸涂有机化合物

3、表面涂覆无机化合物

4、液相氧化法

5、气相氧化法

6、电化学氧化法

7、等离子体处理

7、Kevlar纤维的表面处理的方法有几种？1）化学处理 2）等离子体处理 3）表面涂层

8、用偶联剂处理玻璃纤维应注意的影响因素？

9、碳纤维表面可否用硅烷偶联剂进行处理，为什么?

9、碳纤维阳极氧化后表面产生的官能团可用什么方法进行定量表征？