山大复合材料结构与性能复习题参考答案

1、简述构成复合材料的元素及其作用复合材料由两种以上组分以及他们之间的界面组成。

即构成复合材料的元素包括基体相、增强相、界面相。

基体相作用：具有支撑和保护增强相的作用。

在复合材料受外加载荷时，基体相一剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用，提高塑性变形能力。

增强相作用：能够强化基体相的材料称为增强体，增强体在复合材料中是分散相，在复合材料承受外加载荷时增强相主要起到承载载荷的作用。

界面相作用：界面相是使基体相和增强相彼此相连的过渡层。

界面相具有一定厚度，在化学成分和力学性质上与基体相和增强相有明显区别。

在复合材料受外加载荷时能够起到传递载荷的作用。

2、简述复合材料的基本特点(1)复合材料的性能具有可设计性材料性能的可设计性是指通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。

显然，复合材料中包含了诸多影响最终性能、可调节的因素，赋予了复合材料的性能可设计性以极大的自由度。

(2)材料与构件制造的一致性制造复合材料与制造构件往往是同步的，即复合材料与复合材料构架同时成型，在采用某种方法把增强体掺入基体成型复合材料的同时，通常也就形成了复合材料的构件。

(3)叠加效应叠加效应指的是依靠增强体与基体性能的叠加，使复合材料获得一种新的、独特而又优于个单元组分的性能，以实现预期的性能指标。

(4)复合材料的不足复合材料的增强体和基体可供选择地范围有限；制备工艺复杂，性能存在波动、离散性；复合材料制品成本较高。

3、说明增强体在结构复合材料中的作用能够强化基体的材料称为增强体。

增强体在复合材料中是分散相。

复合材料中的增强体，按几何形状可分为颗粒状、纤维状、薄片状和由纤维编制的三维立体结构。

暗属性可分为有机增强体和无机增强体。

复合材料中最主要的增强体是纤维状的。

对于结构复合材料，纤维的主要作用是承载，纤维承受载荷的比例远大于基体；对于多功能复合材料，纤维的主要作用是吸波、隐身、防热、耐磨、耐腐蚀和抗震等其中一种或多种，同时为材料提供基本的结构性能；对于结构陶瓷复合材料，纤维的主要作用是增加韧性。

4、说明纤维增强复合材料为何有最小纤维含量和最大纤维含量在复合材料中, 纤维体积含量是一个很重要的参数。

纤维强度高，基体韧性好，若加入少量纤维，不仅起不到强化作用反而弱化，因为纤维在基体内相当于裂纹。

所以存在最小纤维含量，即临界纤维含量。

若纤维含量小于临界纤维量，则在受外载荷作用时，纤维首先断裂，同时基体会承受载荷，产生较大变形，是否断裂取决于基体强度。

纤维量增加，强度下降。

当纤维量大于临界纤维量时，纤维主要承受载荷。

纤维量增加强度增加。

总之，含量过低,不能充分发挥复合材料中增强材料的作用；含量过高,由于纤维和基体间不能形成一定厚度的界面过渡层, 无法承担基体对纤维的力传递, 也不利于复合材料抗拉强度的提高。

5、如何设才计复合材料材料设计是指根据对材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。

复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置和复合工艺类型及参数，来改变复合材料的性能，特别是是器有各向异性，从而适应在不同位置、不同方位和不同环境条件下的使用要求。

复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度，从而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的优化结构。

复合材料制品的设计与研制步骤可以归纳如下：1)通过论证明确对于材料的使用性能要求，确定设计目标2)选择材料体系（增强体、基体）3)确定组分比例、几何形态及增强体的配置4)确定制备工艺方法及工艺参数5)以上主要为设计步骤，在完成复合材料设计方案后，应结合市场供应情况和研制单位的已有条件，采购原材料，购置或改造工艺设备，完成制造工艺条件准备6)测试所制得样品的实际性能，检验是否达到使用性能要求和设计目标7)在总结设置经验与成果的基础上，调整设计方案，组织制品生产6、如何改善复合材料界面相容问题相容性是指亮哥相互接触的组分是否相互容纳。

在复合材料中是指纤维与基体之间是否彼此协调、匹配或是否发生化学反应。

复合材料界面相容性包括：物理相容性和化学相容性复合材料界面的物理相容性主要包括润湿性、热膨胀匹配性和组分之间元素的相互溶解性。

1)纤维与基体之间的润湿性在复合材料工艺过程中，液态基体与纤维最好能发生润湿，以免复合材料界面结合太弱，使其传递载荷的功能不能充分发挥。

2)热残余应力热残余应力是由于复合材料组分之间的热膨胀系数不同，当使用或制造过程中所处的温度偏离复合材料成型温度时，在组元界面处产生的结构内应力。

这种残余应力与复合材料所承受的外载荷产生的应力相叠加，将影响复合材料的承载能力。

甚至在复合材料中造成微裂纹使复合材料丧失承载能力。

良好的复合材料界面化学相容性是指在高温时复合材料中的两组分之间处于热力学平衡且两相反应动力学十分缓慢。

但是，出共晶复合材料和原位生长复合材料外，一般复合材料都不属于组分之间能够处于热力学平衡的体系。

为了改善复合材料界面化学相容性，在选材时不能只单纯考虑力学平衡，还要查阅相关的热力学和动力学资料以获得达到某种平衡状态时的信息。

7、说明复合材料的结合方式，如何提高复合材料界面结合强度界面结合的方式大致可分为机械结合和化学结合两类。

化学结合又可分为溶解与润湿结合和反应结合。

机械结合：基体与增强体之间仅仅依靠纯粹的粗糙表面相互嵌入作用进行连接溶解与润湿结合：在复合材料制造的过程中基体与增强体之间首先发生润湿，然后相互溶解，这种结合方式即为溶解与润湿结合反应结合：基体与纤维间发生化学反应，在界面上形成一种新的化合物而产生结合的结合方式8、说明复合材料界面的作用及其有关力学和物化要求界面相是使基体相和增强相彼此相连的过渡层。

界面相具有一定厚度，在化学成分和力学性质上与基体相和增强相有明显区别。

在复合材料受外加载荷时能够起到传递载荷的作用。

对界面的要求主要包括力学和物理化学两个方面。

力学方面：力学方面要求几面能够传递载荷。

复合材料在服役期间必需保持自己的形状和承担外界及相邻构件施加的载荷，这就要求复合材料是一个力学上的连续体，即复合材料中各组分之间通过界面实现完整的结合。

从力学观点看，界面作用就是将复合材料的各组分连接成为力学连续体，因此对界面的力学要求是界面应具有均匀、恒定的强度，保证能在相邻组分之间有效的传递载荷，是他们能够在复合材料承载时发挥各自的功能。

物理化学方面：从物理化学角度出发，理想界面应是化学非连续体，即各组元间不发生元素间相互扩散或化学反应。

只有各组分保持各自的化学成分和晶体结构，且在界面处不存在相互联系的过度向，界面才能有效地阻止裂纹的传播和扩展；两组分拣不发生化学作用，才能避免界面形成脆性层，从而避免在脆性层中产生的裂纹所诱发的纤维破坏；元素间不发生扩散，才不致使基体塑性变差或使增强体产生凹陷和不平整等缺陷。

9、连续纤维和非连续纤维复合材料的应力状态有何不同（1）连续纤维复合材料在纵向载荷下的应力状态在弹性范围内： 在简单拉伸时，纤维、基体和界面均产生三向应力状态。

在施加外力初期，纤维和基体均处于弹性变形范围内。

由于纤维与基体的弹性模量不同，故纤维比基体的轴向应力高，界面处的轴向应力最高；横向应力与轴向应力相比其值很小。

在塑性变形范围内：继续增加外力值至基体发生屈服，而纤维仍然处于弹性变形范围。

基体与纤维的泊松比之差进一步增大，故横向应力增大。

轴向应变越大，则横向应力增大幅度也越大。

（2）连续纤维复合材料在横向载荷下的应力状态在受横向载荷时，界面的应力分布用应力集中系数来描述。

在横向载荷作用下围绕界面的应力与载荷方向的夹角θ有关。

当θ=0时，界面正应力r σ具有最大值。

然后随θ增加而减小；当θ=70o ~90o 正应力有拉伸应力变成压缩应力。

剪应力θτr 在θ=45o 时最大；当θ<45o 或θ>45o 时θτr 减小。

因此，在横向载荷下，界面所受最大应力不是剪应力，而是拉伸或压缩正应力。

（3）非连续纤维复合材料的应力状态在一定的纵向外加拉伸载荷作用下，非连续纤维和基体同时发生弹性变形，由于纤维的弹性模量远大于基体的弹性模量，故纤维对与之相邻区域基体的变形产生约束，造成基体的弹性变形不均匀；界面剪切应力i τ和纤维拉伸应力i σ在纤维长度方向上呈不均匀分布。

10、纤维增强复合材料为何存在纤维临界长度和临界长径比11、金属基复合材料界面有何特点金属基复合材料的界面包括固溶体和金属间化合物。

金属基复合材料界面结合方式包括：机械结合、溶解与润湿结合、交换反应结合、氧化物结合和混合结合。

1)机械结合基体与增强体之间仅仅依靠纯粹的粗糙表面相互嵌入作用进行连接。

2)溶解与润湿结在复合材料制造的过程中基体与增强体之间首先发生润湿，然后相互溶解，这种结合方式即为溶解与润湿结合。

3)交换反应结合当增强体或基体成分含有两种或两种以上元素时，除发生界面反应外，在增强体、基体与反应产物之间还会发生元素交换。

所产生的结合称为交换反应结合。

4)氧化物结合氧化物结合是指当采用的增强体是某种氧化物时，其与基体间发生反应生成另一种氧化物，所产生的结合。

5)混合结合当由增强体和基体金属组成复合材料时，某些金属基体表面存在致密的氧化膜。

此氧化膜常常逐渐被某种工艺因素或化学反应破坏，使增强体与基体之间的界面从非化学结合向化学结合过渡，在过渡过程中，界面既存在机械结合又存在化学结合，成为混合结合。

一般情况下，金属基复合材料是以界面化学结合为主，有时也会有两种或两种以上界面结合方式并存的现象。

另外，即使对于相同的组分、相同的工艺制备的复合材料，对应于不同的部位其界面结构也有较大差别。

通常将金属基复合材料界面分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类型：Ⅰ型界面包括机械结合和氧化物结合，代表增强体与基体金属既不溶解也不反应；Ⅱ型界面即溶解与润湿结合，代表增强体与基体金属之间可以溶解但不反应；Ⅲ型界面包括交换反应结合和混合结合，表示增强体与基体之间发生反应并形成化合物12、说明纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制陶瓷不具备金属那样的塑性变形能力，在断裂过程中除了除了产生新的断裂表面需要吸收表面能之外，几乎没有其他吸收能量的机制，这就是陶瓷脆性的本质原因。

在陶瓷基复合材料中，纤维的主要作用是为了增加复合材料的韧性，即增加复合材料破坏前所吸收的能量。

纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括：基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转、相变增韧和微裂纹增韧。

1)基体预压缩应力当纤维轴向膨胀系数高于基体热膨胀系数时，复合材料由高温冷至室温后，基体会产生与纤维轴向平行的压缩内应力。

当复合材料受纵向拉伸时，残余应力可以抵消一部分外加应力而延迟基体开裂。

2)裂纹扩展受阻当裂纹的断裂韧性比基体断裂韧性大时，集体中产生的裂纹垂直于界面扩展至纤维，裂纹可以被纤维阻止甚至闭合。