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。

3)纤维拔出

具有较高韧性的纤维，当基体裂纹扩展至纤维时，应力集中导致结合较

弱的纤维与基体之间的界面解离，在进一步变形时，将导致纤维在弱点

处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。

4)纤维桥联

在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架桥。桥联

的纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增加韧性。

5)裂纹偏转

裂纹沿着结合较弱的纤维/基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，即偏

离与界面相垂直的方向，因而使断裂路径增加。裂纹可以沿着界面偏转，

或者虽然仍按原来的方向扩展，但在越过纤维时产生了沿界面的分叉。

6)相变增韧

基体中裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的基体发生相变，即诱导相

变。当相变造成局部基体体积膨胀时，会挤压裂纹使之闭合，从而产生

增韧效果。

7)微裂纹增韧

利用相变过程中的体积膨胀，在基体中引起微裂纹或微裂纹区，使主裂

纹遇到微裂纹或进入微裂纹区后，分化为一系列小裂纹，形成许多新的

断裂表面，从而吸收能量。

13、聚合物基复合材料的结构与性能的关系

聚合物基复合材料的结构随增强体类型不同而不同。就聚合物基复合材料的力学性能而言，主要取决于增强材料和基体的性质以及增强体/基体界面的结合情况。

聚合物基复合材料的断裂韧性主要受纤维、纤维/基体界面的微观结构因素影响。在低温下，聚合物基复合材料的断口呈现基体脆性断裂和纤维垂直于表面拔出两种断裂机制。在室温下，聚合物基体出现局部塑形变形，并产生裂纹。

聚合物基复合材料对界面的要求包括：足够的润湿性和几面粘接强度、一定的界面层厚度和减弱固化成型过程中界面层的应力集中。通过在纤维表面涂化学接枝和用偶联剂处理等方法可以形成较厚的或模量呈梯度变化的界面层。这中界面层除了能提供满足复合材料设计的主要性能外，还可能明显改善复合材料的康疲劳和耐疲劳性能。通过调节增强体和基体的热变形性能或设计特定的界面层，可以尽可能消除残余界面应力，复合材料的抗冲击强度将大幅度提高。

14、金属基复合材料的结构与性能的关系

高性能金属基复合材料对组成相的要求欲获得强度高、韧性好的金属基复合材料，要求：增强体是高模量、高强度和高长径比的连续纤维；当纤维产生裂纹时，韧性金属可以使裂纹钝化，纤维与基体结合良好，其界面能有效传递载荷；纤维在复合材料中的原位强度高和临界裂纹密度低；基体金属的韧性高。

力学性能影响纤维增强金属基复合材料力学性能的因素有基体种类、纤维种类、纤维横截面形状、纤维体积分数、纤维取向、界面结合状态、制备工艺等。连续纤维增强金属基复合材料的比强度、比模量均比未加增强体的集体材料显著提高；延伸率明显下降；高温强度明显提高；断裂韧性有所下降；当界面结合良好时，金属基复合材料的疲劳性能较好。

15、陶瓷基复合材料的结构与性能的关系

纤维体积分数与复合材料弯曲强度和杨氏模量的关系复合材料弯曲强度和杨氏模量随纤维体积分数增加而升高。

晶须含量与复合材料断裂韧性的关系随晶须含量增加，复合材料断裂韧性增加，但随晶须含量增加，断裂韧性的增长速率逐渐趋于缓慢。