西工大 复合材料原理复习题及答案(仅供参考)
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1.为什么Nicalon sic 纤维使用温度低于1100℃？怎样提高使用温度？ 从热力学上讲，C-SIO 2界面在1000℃时界面气相CO 压力可能很高，相应的O 2浓度也较高。只有O 2扩散使界面上O 2浓度达到较高水平时，才能反应生成CO 。但是温度较低时扩散较慢，因此C-SiO 2仍然在1000℃左右共存。
当温度升到1100℃，1200℃时，CO 的压力将会更高，此时O 2的浓度也较高，而扩散速度却加快。因而，SiC 的氧化速度加快，导致Nicalon 纤维在1100℃，1200℃时性能下降很快。
要提高Nicalon 纤维的使用温度，需降低Nicalon 纤维的游离C 和O 的含量，以防止游离C 继续与界面O 反应。
2.复合材料的界面应力是怎样产生的？对复合材料的性能有何影响？
复合材料的界面应力主要是由于从制备温度冷却到室温的温度变化△T 或是使用过程中的温度变化△T 使得复合材料中纤维和基体CTE （coefficient of thermal expansion 热膨胀系数？）不同而导致系统在界面强结合的情况下界面应力与△T 有着对应关系；在界面弱结合的情况下，由于滑移摩擦引起界面应力。
除了热物理不相容外，还有制备过程也能产生很大甚至更大的界面应力。如：PMC 的固化收缩，MMC 的金属凝固收缩，CMC 的凝固收缩等。
△CTE 限制界面应力将导致基体开裂，留下很多裂纹，裂纹严重时将使复合材料解体，使复合材料制备失败，或是使其性能严重下降，△CTE 不大时，弹塑性作用，不会出现裂纹。而对于CMC ，即使不会出现明显的裂纹，基体也已经出现了微裂纹。这些微裂纹对复合材料的性能不会有很的影响，相反，这些微裂纹对CMC 复合材料的增韧有帮助，因为微裂纹在裂纹扩展过程中将会再主裂纹上形成很多与裂纹而消耗能量，从而达到增韧的目的。
3．金属基复合材料界面控制的一般原则是什么？
金属基复合材料要求强结合，此时能提高强度但不会发生脆性破坏。均存在界
面化学反应趋势，温度足够高时将发生界面化学反应，一定的界面化学反应能增加界面的结合强度，对增强有利。过量的界面化学反应能增加界面的脆性倾向对增韧不利。因此，MMC 的界面化学反应是所希望的，但是应该控制适度。 具体原则有：
纤维表面涂层处理：改善润湿性，提高界面的结合强度，并防止不利的界面反应。
基体改性：改变合金的成分，使活性元素的偏聚在f/m 界面上降低界面能，提高润湿性。
控制界面层：必须考虑界面层的厚薄，以及在室温下熔体对纤维及纤维表面层的溶解侵蚀。纤维及其表面层金属熔体中均具有一定的溶解度。因而，溶解和侵蚀是不可避免的。
4.为什么玻璃陶瓷/Nicalon 复合材料不需要制备界面层？
氧化物玻璃基体很容易与Nicalon SiC 纤维反应：SiC+O 2=SiO 2+C 这一反应可以被利用来制备界面层。
氧化物玻璃基体与Nicalon SiC 纤维还可能发生其它氧化反应，但由于需要气相产物扩散离开界面，因为其他热力学趋向很大，但反应驱动力相对较小。因上述反应生成的SiO 2 在SiO 2基玻璃中很容易溶入玻璃基体。如果使用的玻璃基体不发生饱和分相的话，反应的结果将在界面上生成C 界面层或纤维的表面层，因而不需要预先制备界面层，这就是玻璃陶瓷的最大优点。 5．复合材料有哪三个组元组成，作用分别是什么？ 复合材料是由：基体，增强体，界面。
基体：是复合材料中的连续相，可以将增强体粘结成整体，并赋予复合材料一
定形状。有传递外界作用力，保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。 增强体：主要是承载，一般承受90%以上的载荷，起着增大强度，改善复合材
料性能的作用。
界面：1.传递作用：载荷施加在基体上，只有通过界面才能传递到增强体上，
发挥纤维的承载能力，所以界面是传递载荷的桥梁。
2.阻断作用：结合适当的界面有阻止裂纹扩展，中断材料破坏，减缓应力集中的作用。
3.保护作用：界面相可以保护增强体免受环境的腐蚀，防止基体与增强体
之间的化学反应，起到保护增强体的作用。
6. 请说明临界纤维长度的物理意义？
能够达到最大纤维应力，即极限强度σfu 的最小纤维长度，称为临界长度Lc ，临界纤维长度是载荷传递长度的最大值。
L 7．试解释以下复合材料力学性能随纤维体积分数及温度变化的原因 因为SiC 的CTE 为5E-6℃-1，Al 2O 3的CTE 为9.5E-6℃-1，而TiAl 的CTE 为11E-6℃-1。由此可见SiC 纤维与TiAl 基体的CTE 相差较大，而Al 2O 3纤维与TiAl 基体的CTE 相差较小。所以从高温冷却到常温过程中：Ultra-SCS/γ-TiAl 复合材料中因CTE 差异而产生的应力比Nextel610/γ-TiAl 复合材料中因CTE 差异产生的应力要大。 两种复合材料在室温时纤维的弹性模量均高于基体，根据复合法则E=(E f -E m )V f +E m ,因此随着纤维体积分数增加复合材料的E 也增加，但对于Ultra-SCS/γ-TiAl 复合材料，纤维体积分数达到30%，由于纤维和基体热失配严重（基体CTE=11E-6℃-1 ，纤维CTE=5E-6℃-1 ），基体和纤维界面开裂导致没有结合强度，弹性模量也降低。 由二表分析得两种复合材料的强度均随纤维体积分数 的增加而降低，这是因为纤维与基体CTE 差异导致低 温下复合材料中产生应力，故纤维体积分数越大，复 合材料中因CTE 差异而产生的应力越大，因此一定范围内两种复合材料的力学性能均随纤维体积分数的降低而升高。 由二表分析得两种复合材料的强度均随温度的升高而增加，这是因为温度升高纤维与基体热胀系数差异而产生的应力逐渐减小，所以在一定温度范围内两种复 合材料的强度均随随温度的升高而增加。 (1000℃) Fibers σ/MPa E/GPa α/E-6℃-1 SiC 2070 420 5 Al 2O 3 1100 380 9.5 TiAl 11 8．试分析以下两种复合材料：SiC f /CAS 和SiC f /SiC 复合材料是否能够发生界面裂纹偏转（假定两者都无界面层）。确定热解碳界 面层对以上两种材料界面裂纹偏转的影响。 注：α：Dundurs parameters ()/2/1E E ν=- 解：无界面层时，对于 (1) SiC f /CAS 复合材料 E 1’=104.17 E 2’=281.25 α(1)=(E 2’-E 1’)/(E 2’+E 1’)=177.08/385.42=0.4594 Γ1/Γ2=20/5=4 由图分析知裂纹穿过纤维 (2) SiC f /SiC 复合材料 E 1’=416.67 E 2’=281.25 α(2)=(E 2’-E 1’)/(E 2’+E 1’)=-135.42/697.92=-0.1940 Γ1/Γ2=5/5=1 由图分析知裂纹穿过纤维 存在热解碳界面层时，对于 (3)SiC f /CAS 复合材料 PyC/CAS 界面：E 1’=104.17 E 2’=7.11 α(3)=(E 2’-E 1’)/(E 2’+E 1’)=-0.8722 Γ1/Γ2=20/1.4=14.2857 裂纹穿过PyC 层 SiC f /PyC 界面：E 1’=7.11 E 2’=281.25 学习资料收集于网络，仅供参考 α(3)’=(E 2’-E 1’)/(E 2’+E 1’)=0.9507 Γ1/Γ2=1.4/5=0.28 裂纹偏转 (4)SiC f /SiC 复合材料 PyC/SiC 界面：E 1’=416.67 E 2’=7.11 α(3)=(E 2’-E 1’)/(E 2’+E 1’)=-0.9664 Γ1/Γ2=5/1.4=3.5714 裂纹穿过PyC 层 SiC f /PyC 界面：E 1’=7.11 E 2’=281.25 α(3)’=(E 2’-E 1’)/(E 2’+E 1’)=0.9507 Γ1/Γ2=1.4/5=0.28 裂纹偏转 综上，SiCf/CAS 和SiCf/SiC 复合材料不会发生界面裂纹偏转（假定两者都无界面层）。当存在热解碳界面层时，SiCf/CAS 和SiCf/SiC 复合材料均会发生界面裂纹偏转，且裂纹偏转均发生在PyC 与SiC f 界面处。 9.请分别查找陶瓷强度、模量随孔隙率变化规律的公式（假定泊松比不随孔隙率变化）， P=f p 根据以下两式及表中数据，设计一种无界面层SiC/SiC 复合材料（纤维体积分数50％），使其具有最高强度同时具有界面裂纹偏转能力，用数据说明。 （p c G 为多孔材料断裂能，G C 为致密材料断裂能，f p 为孔隙率） 解：σc =700e -1.88fp {1+V f [(E f /400e -2.27fp )-1]}=700e -1.88fp {1+0.5[(270/400e -2.27fp )-1]}=700e -1.88fp {0.5+(27/80)e -2.27fp } σc =350e -1.88fp +236.25e -2.27fp 等式两边对fp 求导,令 σc ’=0 得-1.88*350e -1.88fp +0.39*236.25e -2.27fp =0 解得f p =0.866 孔隙率0.866时具有最高强度 Γ1=5*(1-0.866)2=0.08978 Γ1/Γ2=0.017956 E 1’=400e -2.27*0.866/(1-0.22)=58.35 E 2’=270/(1-0.22)=281.25 α=(E 2’-E 1’)/(E 2’+E 1’)=0.65 因此具有界面偏转能力 10．金属铝的强化：常向液态的金属铝中加入Al 2O 3 和SiC ，使之均匀分散在其中，达到强化的目的。但由于这两种固体与液铝的浸润角θ=140︒，即几乎不浸润，所以很难 将其分散均匀。为实现强化，可以采用哪些方法？ 为实现强化，可以向体系中加入Cu 或铝镁合金，目的是利用金属和Al 2O 3的合金化反应，降低固-液界面能；或用injection 的方法，给Al 2O 3和SiC 颗粒以很大的初速度，将其注射到液铝中去，也可达到分散效果；此外，在Al 2O 3和SiC 表面镀镍亦能显著改善浸润问题。 为了降低润湿角必须增加颗粒表面或减小液态金属铝的表面张力。改善浸润性的方法有： （1）对增强颗粒进行热处理以除去其表面吸附的气体；（2）对熔融金属液施加超声处理以除去增强颗粒表面吸 附的杂质和气体，以提高颗粒的表面能；（3）在增强颗粒的表面堵上Ni 或Cu 等润湿剂，以提高增强颗粒的表面能；（4）从改善铝合金液的成分设计入手，在熔融的金属液中添加相应的活性元素，如Mg 、Ca 、Ti 、Zr 、Nb 、V 和P 等，以降低液体的表面张力，提高浸润性；（5）适当提高制备温度，温度提高可以改善浸润性；（6）对于SiC 颗粒，可以对其进行预氧化处理，使SiC 颗粒表面生成SiO 2薄膜，SiO 2与基体浸润性较好，以此改善浸润性 11．请计算SiC 氧化生成SiO 2的体积变化。请计算ZrC 氧化生成ZrO 2的体积变化。 解：N SiC = ρSiC /M SiC =3.2/40 = 0.08 N SiO2= ρSiO2/M SiO2 =2.32/60 = 0.039 V SiO2/V SiC = N SiC /N SiO2 =0.08/0.039 =2.07 因此SiC 氧化生成SiO 2的体积变为原来的2.07倍； 同理：V ZrO2/V ZrC = N ZrC /N ZrO2 = (ρZrC ·M ZrO2)/(ρZrO2·M ZrC ) =(6.73×123.22)/(103.23×5.89) =1.364 ZrC 氧化生成ZrO 2的体积变为原来的1.364倍。 12．CVD SiC 在50vol.%H 2O/50vol.%Ar 气氛中氧化的抛物线氧化速率常数k p 见下表。请计算SiC 氧化表观活化能。 E-4-5.6402E-4) = 23935.75 13．请分析为什么连续纤维拔出长度通常为l c /2，为什么纤维端部先于纤维中部脱粘。 如图1所示单根纤维埋入基体之中 受力平衡时基体的屈服剪切强度与纤维的拉伸应力存在平衡关系： 纤维所受拉应力和剪应力与纤维长度的曲线关系如图2所示：纤维上应力对称分布，在lc/2处拉应力达最大值，因此连续纤维拔出长度通常为l c /2；而纤维两端的剪应力最大，故纤维端部先于纤维中部脱粘。 14．设计一种SiC 晶须增强玻璃陶瓷基复合材料，界面应该是强结合还是弱结合对强度有利，试分析之。 SiC 晶须增强玻璃陶瓷基复合材料，界面应该是弱结合。界面结合包括机械结合和化学结合，机械结合指靠机械键合或互锁效应达到界面结合，陶瓷基复合材料中机械 结合占绝大多数。化学结合导致强界面，在陶瓷基复合材料中要尽量避免或减弱结合强度。强结合使陶瓷基复合材料像陶瓷单体一样发生脆性断裂，而弱结合可使裂纹沿界面偏转，从而降低能量，这是提高陶瓷韧性的主要方法之一。为了得到弱界面，可在SiC 晶须表面镀一层化合物或碳等易被剪切断裂的物质形成界面相。 15．试分析为什么多孔C/SiC 复合材料具有高强度？ 对于纤维增强复合材料体系，纤维作为增强体主要起承载作用，基体则起着固结纤 维和传递载荷的作用。纤维增强复合材料的力学性能，不但决定于基体和纤维本身 的性能，而且还决定于纤维于基体之间的界面特性。为了获得高性能复合材料，必须使界面结合适中，从而使纤维较好的发挥桥接和拔出作用，避免复合材料的脆性断裂和分层断裂。较弱和较强的界面都不利于提高复合材的性能。界面强度太低，不利于应力向纤维传递。对于多孔C/SiC 复合材料来说，材料中存在着较多的孔隙，而这些孔隙的存在，势必会影响材料的致密化程度以及纤维和基体之间的结合性能，最终影响材料的力学性能。孔隙和裂纹可降低基体模量，低模量界面相可改善界面 '1()1m f c mu f E V E ⎧⎫⎡⎤⎪⎪σ=σ+-⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭图1 4 22d l d f y πσπτ⋅=⋅1.88700P mu e -σ= 2.27400P E e -=() 2 1p c C p G G f =-图2 学习资料收集于网络，仅供参考 模量匹配，适当的孔隙可减小应力集中，消耗裂纹在扩展过程中的能量，甚至终止裂纹继续扩展而损伤纤维。正是这些基体裂纹、纤维基体脱黏、纤维断裂和拔出等吸收了大量的能量，使多孔C/SiC 复合材料呈现高强度的特征。 复合材料的特点 （1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。 （2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。 （3）复合材料具有可设计性。 均质材料：各向同性，材料与构件设计分步进行 复合材料：各向异性，构件是材料与结构一体化 不同复合材料的应力应变曲线： 采用化学气相渗透工艺制备的SiC 纤维增韧SiC 陶瓷基复合材料点阵结构包括以下复合效应。 尺寸效应：SiC 纤维直径为14微米。与块体陶瓷相比，直径为微米级尺寸的纤维缺陷尺寸小，力学性能高，可起到增强增韧效果 界面效应：热解碳界面层具有层状微结构可以起到界面脱粘，避免纤维脆断的作用 尺度效应：SiC 纤维为14微米，热解碳界面层厚度为200纳米-500纳米，SiC 基体晶粒尺寸为20纳米。从纤维直径到界面层厚度，再到晶粒尺寸，由微米级逐 渐过渡到纳米级，体现出尺度效应 结构效应：SiC/SiC 点阵结构（点阵单元为毫米级）的多结构设计体现出结构效应 碳纤维的理论强度可以达到多大，实际强度多大，怎样提高碳纤维的强度 （1）根据Orowan 模型 假定碳的原子间距为3.34A ，表面能为0.2N/m, 弹性模量为2000GPa ， 碳的理论强度35GPa （2）根据Griffith 理论 假定碳纤维表面的缺陷尺寸为0.05μm ，实际强度为 2.3GPa （3）提高碳纤维强度应减小缺陷尺寸，可通过减小纤维尺寸，减小纤维表面晶化层厚度，表面沉积热解碳修复缺陷等方法来提高纤维强度 第一讲 绪论 第二讲 复合材料学基础 第三讲 表面与界面基础 第四讲 界面热化学相容性 第五讲 界面热物理相容性 第六讲 界面特性与性能(一) 第七讲 界面特性与性能(二) 第八讲 界面结合与模量匹配 第九讲 金属基复合材料界面控制 第十讲 陶瓷基复合材料界面控制 第十一讲 聚合物基复合材料界面控制 第十二讲 界面控制与复合工艺 ------- 仅供参考，总觉得如果开课就拿着这份试题去听会更有效果，遗憾的是考试前几天才把答案做出来。。。 th σ 《材料工程基础》课程教学大纲 课程代码：050231021 课程英文名称：Fundamentals of Materials Engineering 课程总学时：40 讲课：40 实验：0 上机：0 适用专业：金属材料工程专业 大纲编写（修订）时间：2017.7 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 材料工程基础是金属材料工程专业学生必修的专业基础课，是学位课，是从事材料科学与工程专业技术领域人员必备的课程。 本课程主要讲授液态金属成形工艺、金属塑性成形工艺、金属连接成形工艺、粉末冶金成形、非金属材料成形工艺及各种材料成形工艺方法的选择原则。通过学习，使学生初步具备为不同零件的生产选择合理的制造方法的能力，为其他相关课程如工程材料学、热处理原理与工艺学以及从事新材料成形研究奠定必要的基础，同时使学生具有对典型的金属材料零件分析讨论使用不同的成形方法制造的能力。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1. 掌握液态金属成形的工艺设计、浇注系统、冒口、冷铁等的设计基本原则；掌握顺序凝固的应用，同时凝固的应用；掌握砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造、低压铸造等特种铸造方法的原理、特点和应用；了解3D打印等先进成形技术； 2．掌握自由锻件图设计和模锻工艺；掌握板料冲压、挤压、拉拔、轧制等工艺特点和应用；了解超塑性成形、液态模锻等先进塑性成形工艺。 3. 掌握金属连接成形原理和方法；掌握电弧焊、气焊、埋弧自动焊、气体保护电阻焊、等离子弧焊与切割、压力焊、钎焊等焊接工艺原理、特点及应用；了解焊接缺陷的检验方法；了解电子束焊接等现代焊接方法。 4. 掌握粉末冶金成形工艺的方法、特点和应用。 5. 掌握塑料、橡胶、陶瓷成形方法的特点和应用。 6. 掌握各种材料成形工艺选用原则和方法。对具体典型的金属材料零件如暖气片、机床床身、大口径地下输水管、黄铜水龙头、发动机缸体、汽车铝轮毂、大型发电子转子、大批量齿轮毛坯、柴油机曲轴、连杆、半轴、硬币、汽车面板、火车钢轨、铜线、钢瓶、船体、硬质合金刀具、显示器壳体等分析讨论使用不同的成形方法制造的合理性。 7.了解国家相关政策，了解“一带一路”政策给材料成形带来的挑战以及机遇。 8.了解各种成形方法的设备。 9.了解各种新的材料成形方法。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：掌握材料成形方法的一般知识，主要掌握金属材料成形的常用方法及特点。 2.基本理论及方法：掌握液态金属各种成形方法及工艺设计，浇注系统、冒口、冷铁的设计基本原则，掌握铸造缺陷及检验方法，掌握特种铸造方法的原理；掌握塑性成形方法的原理及工艺设计，锻件图设计，板料冲压、挤压、拉拔、轧制等工艺，掌握模型锻造的零件结构特点；掌握金属连接成形的方法及工艺设计，电弧焊、气焊、埋弧自动焊、气体保护电阻焊、等离子弧焊与切割、压力焊、钎焊等工艺，掌握焊接接头的组织和性能，掌握焊接缺陷及检验方法；掌握粉末冶金成形工艺的方法、特点和应用；掌握塑料、橡胶、陶瓷成形方法的特点和应用； 电磁屏蔽原理 08级材料科学与工程，许文强，20080403B027 （海南大学（海甸校区），海口，570228） 电磁波在传播途中遇到障碍物时，受障碍物的反射和吸收作用，能量发生衰减，其衰减程度用分贝（dB）来表示。值越大，则衰减的程度越高。如表1 所示[1]。 电磁屏蔽, 即利用屏蔽体的反射、衰减等使得电磁辐射场源所产生的电磁能流不进入被屏蔽区域。通常,屏蔽材料对空间某点的屏蔽效果用屏蔽效能SE ( Shie l ding E ffecti veness , dB表示: SE = 20 lg(E0 /E ),其中E0是无屏蔽材料时该点场强, E是有屏蔽体后该点场强。SE 小于30dB为差; 30 ~ 60dB为中等, 可用于一般工业或商业用电子设备; 60~ 90dB为良好, 可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽; 90dB以上为优, 用于要求苛刻的高精度、高敏感度产品。根据实用需要, 对于大多数电子产品的屏蔽材料, 在30 ~ 1000MH z频率范围内, 其SE 至少达到35dB以上,方认为是有效屏蔽。 S . A. Schelkuno ff电磁屏蔽理论认为, 电磁波传播到屏蔽材料表面时, 通常有3种不同机理进行衰减: ( 1 )未被反射而进入屏蔽体的吸收损耗; ( 2)在入射表面的反射损耗; ( 3)在屏蔽体内部的多重反射损耗。用公式可表示为[2-5]: SE = A + R +B (见图1)。吸收损耗A = 1 . 314t( fμrσr)1/2( dB); R 为电磁波的单次反射衰减, R = 168 - 10 lg ( fμr/σr) ( dB ) (远场平面波); B为电磁波在屏蔽材料内部的多重反射损耗, B = 20 lg ( 1- e- 2t /δ) ( dB)。其中, μr为材料相对铜的磁导率; r为材料相对铜的电导率; f为电磁波的频率; t为材料厚度; 为趋肤深度 = (πμ σf )- 1/2。 “材料科学与工程导论”大纲 2009-03-09 题号：923 《材料科学与工程导论》考试大纲 下面大纲是按专业方向列出的，考生可任选其中一个方向的大纲复习，考试按专业方向命题，学生选做其中一组即可。 1、金属材料及热处理 内容要求：(1)金属固态相变的概论：金属固态相变的平衡转变和不平衡转变，固态相变的均匀形核和非均匀形核。新相长大机制和新相长大速度。 (2)钢的加热转变和钢的过冷奥氏体转变。（3）珠光体转变与退回和正火。（4）马氏体的晶体结构和转变特点，马氏体组织形态和机械性能。（5）贝氏体贝氏体组织形态和亚结构，贝氏体转变的特点和晶体学，（6）钢的淬火。（5）回火转变与钢的回火。（6）钢的滲碳和氮化。（7）钢的时效。 参考书目：胡光立，钢的热处理原理与工艺，西安：西北工业大学出版社，1996年 2、高分子材料 内容要求：(1)高分子材料的合成原理：自由基聚合反应、阳离子型聚合反应、阴离子型聚合反应、缩聚反应。(2)高分子的链结构和凝聚态结构：高分子链的构象、高分子链的柔顺性的表征和影响分子链柔顺性的结构因素；高分子材料凝聚态结构；高分子材料的非晶态结构、晶态结构、取向态结构、液晶态结构和共混态结构。(3)高分子材料的主要性能：高分子材料的高弹性、粘弹性和力学性能；高分子的介电性能；高分子溶液。(4)通用高分子材料：塑料、橡胶、纤维、胶黏剂及涂料基础知识。（5）聚合物共混物和聚合物基复合材料：聚合物共混物的形态结构，聚合物共混物的性能，橡胶增韧塑料的增韧机理，聚合物基宏观复合材料。(6)电子功能高分子材料：结构导电高分子材料、复合型导电高分子材料，电子功能高分子材料的应用。 参考书目：张留成，高分子材料基础，北京：化学工业出版社，2006年 3、塑性成形与控制方向 考试内容：本课程包括金属塑性成形原理、塑性成形工艺和塑性成形设备。其中金属塑性成形原理主要要求掌握金属塑性成形的特点及分类、物理基础力学基础；塑性成形工艺主要要求掌握各种冲压工艺和锻造工艺的基本理论、工艺特点及典型模具结构；塑性成形设备主要要求了解曲柄压力机、液压机、螺旋压力机和塑料成形设备的工作原理、基本结构和工作特性。 参考书目： (1) 刘全坤.材料成形基本原理北京:机械工业出版社.2005 (2) 夏巨谌 .塑性成形工艺及设备.北京:机械工业出版社.2001 2006年西北工业大学硕士研究生入学试题 一、简答题（每题10 分，共50 分） 1. 试从结合键的角度，分析工程材料的分类及其特点。 2. 位错密度有哪几种表征方式？ 3. 陶瓷晶体相可分为哪两大类？有何共同特点？ 4. 冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？ 5. 扩散激活能的物理意义为何？试比较置换扩散和间隙扩散的激活能的大小。 二、作图计算题（每题15 分，共60 分） 1. 已知碳在γ －Fe 中扩散时，D 0 ＝ 2.0 × 10 －5 m 2 /s ，Q ＝1.4 × 10 5 J/mol 。当温度由927 ℃上升到1027 ℃时，扩散系数变化了多少倍？( 气体常数R=8.314 J/(mol.K) ) 2. 已知某低碳钢σ 0 =64KPa ，K=39 3.7 ，若晶粒直径为50μm ，该低碳钢的屈服强度是多少？ 3. 试计算BCC 晶体最密排面的堆积密度。 4. 和均位于Fcc 铝的(111) 晶面上，因此理论上和 的滑移均是可能的。 （1 ）画出(111) 晶面及单位滑移矢量和。 （2 ）比较具有此二滑移矢量的位错的能量。 1. 试从晶界的结构特征和能量特征分析晶界的特点。 2. 试分析冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。 2006年西北工业大学硕士研究生入学试题参考答案 一、简答题（每题10 分，共50 分） 1. 试从结合键的角度，分析工程材料的分类及其特点。 答：金属材料：主要以金属键为主，大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。 陶瓷材料：以共价键和离子键为主，硬、脆，不易变形，熔点高。 高分子材料：分子内部以共价键为主，分子间为分子键和氢键为主。 复合材料：是以上三中基本材料的人工复合物，结合键种类繁多。性能差异很大。 2. 位错密度有哪几种表征方式？ 答：有两种方式：体密度，即单位体积内的位错线长度；面密度，即垂直穿过单位面积的位错线根数。 3. 陶瓷晶体相可分为哪两大类？有何共同特点？ 答：氧化物陶瓷和硅酸盐陶瓷。特点：1. 结合键主要是离子键，含有一定比例的共价键；2. 有确定的成分，可以用准确的分子式表达； 3. 具有典型的非金属性质。 4. 冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？ 答：保持较高强度则应进行低温退火，使其只发生回复，去除残余应力；要继续冷变形则应进行高温退火，使其发生再结晶，以软化组织。 5. 扩散激活能的物理意义为何？试比较置换扩散和间隙扩散的激活能的大小。 答：扩散激活能的物理意义是原子跃迁过程中必须克服周围原子对其的阻碍，即必须克服势垒。相比而言，间隙扩散的激活能较小。 酚醛树脂是最早工业化的合成树脂，已经有100年的历史。由于它原料易得，合成方便以及树脂固化后性能能满足很多使用要求，因此在模塑料、绝缘材料、涂料、木材粘接等方面得到广泛应用。近年来，随着人们对安全等要求的提高，具有阻燃、低烟、低毒等特性的酚醛树脂重新引起人们重视，尤其在飞机场、火车站、学校、医院等公共建筑设施及飞机的内部装饰材料等方面的应用越来越多[1]。 与不饱和聚酯树脂相比，酚醛树脂的反应活性低，固化反应放出缩合水，使得固化必须在高温高压条件下进行，长期以来一般只能先浸渍增强材料制作预浸料(布)，然后用于模压工艺或缠绕工艺，严重限制了其在复合材料领域的应用。为了克服酚醛树脂固有的缺陷，进一步提高酚醛树脂的性能，满足高新技术发展的需要，人们对酚醛树脂进行了大量的研究，改进酚醛树腊的韧性、提高力学性能和耐热性能、改善工艺性能成为研究的重点。近年来国内相继开发出一系列新型酚醛树脂，如硼改性酚醛树脂、烯炔基改性酚醛树脂、氰酸酯化酚醛树脂和开环聚合型酚醛树脂等。可以用于smc/bmc、rtm、拉挤、喷射、手糊等复合材料成型工艺。本文结合作者的研究工作，介绍了酚醛树脂的改性研究进展及rtm、拉挤等酚醛复合材料成型工艺的研究应用情况。 1酚醛树脂的改性研究 1.1聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂 工业上应用得最多的是用聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂，它可提高树脂对玻璃纤维的粘结力，改善酚醛树脂的脆性，增加复合材料的力学强度，降低固化速率从而有利于降低成型压力。用作改性的酚醛树脂通常是用氨水或氧化镁作催化剂合成的苯酚甲醛树脂。用作改性的聚乙烯醇缩醛一般为缩丁醛和缩甲乙醛。使用时一般将其溶于酒精，作为树脂的溶剂。利用缩醛和酚醛羟甲基反应合成的树脂是1种优良的特种油墨载体树脂。 1.2聚酰胺改性酚醛树脂 经聚酰胺改性的酚醛树脂提高了酚醛树脂的冲击韧性和粘结性。用作改性的聚酰胺是一类羟甲基化聚酰胺，利用羟甲基或活泼氢在合成树脂过程中或在树脂固化过程中发生反应形成化学键而达到改性的目的。用该树脂制成的渔竿等薄壁管具有优良的力学性能。 1.3环氧改性酚醛树脂 用热固性酚醛树脂和双酚a型环氧树脂混合物制成的复合材料可以兼具2种树脂的优点，改善它们各自的缺点，从而达到改性的目的。这种混合物具有环氧树脂优良的粘结性，改进了酚醛树脂的脆性，同时具有酚醛树脂优良的耐热性，改进了环氧树脂耐热性较差的缺点。这种改性是通过酚醛树脂中的羟甲基与环氧树脂中的羟基及环氧基进行化学反应，以及酚醛树脂中的酚羟基与环氧树脂中的环氧基进行化学反应，最后交联成复杂的体型结构来达到目的，是1种应用最广的酚醛增韧方法。 1.4有机硅改性酚醛树脂 有机硅树脂具有优良的耐热性和耐潮性。可以通过使用有机硅单体与线性酚醛树脂中的酚羟基或羟甲基发生反应来改进酚醛树脂的耐热性和耐水性。 采用不同的有机硅单体或其混合单体与酚醛树脂改性，可得不同性能的改性酚醛树脂，具有广泛的选择性。 (3119)《材料学专业综合》考试大纲 考试内容： 1、固态相变原理。包括相变热力学、相变动力学、相变晶体学、相变形态学及其它近 代相变理论。 2、材料的力学性能。包括塑性变形，疲劳与断裂、蠕变、持久、组织与性能关系、碳 基、陶瓷基复合材料性能的测试方法与特点等。 3、材料科学基础。包括晶体学、液态金属结构、晶体结构、晶体缺陷、相图、凝固、 扩散、回复与再结晶、表面与界面、复合材料结构与性能等。 4、材料的现代分析方法和原理。包括晶体学、X射线衍射学、电子显微分析学、原子 探针、纳米压痕、化学分析等。 5、功能材料及物理性能。包括半导体材料、光电子材料、磁性材料、光学材料，声、 光、电、磁性能及原理。 6、无机材料物理化学。包括晶体结构及缺陷、熔体和玻璃体、陶瓷相图、扩散、相变、 固态反应、烧结）。 7、复合材料学。包括纤维的结构与性能、复合材料（碳基、陶瓷基复合材料，以下同） 结构与性能、复合材料的成型方法与特点、复合材料与工艺的优化原理与方法等 考题方式： 以上5个方面的内容共出20－30道题，考生从中选做8－10题。 参考书目： 1、《材料科学基础》，刘智恩主编，西北工业大学出版社，西安，第2版。 2、《材料科学基础》，潘金生、仝建民、田民波主编，清华大学出版社。 3、《碳纤维及其复合材料》， 4、《材料科学与技术丛书――材料的特征检测，第Ⅰ部分，第Ⅱ部分》，E. 利弗森主编，叶 恒强等译，科学出版社，北京，1998年。 5、《相变原理》，徐祖耀著，科学出版社，北京，1988年 6、《物理冶金学基础》，J.D.费豪文著，卢光熙、赵子伟译，上海科学技术出版社，1980. 7、《复合材料的细观力学性能》，乔生儒主编，西北工业大学出版社，西安，1997. 8、《功能材料学概论》，马如璋、蒋民华、徐祖雄主编，冶金工业出版社，北京，1999年。 9、《材料科学与技术丛书――材料的塑性变形与断裂》，H.米格兰比主编，颜鸣皋等译，科 学出版社，北京，1998年。 10、《复合材料的结构与性能》 飞机复合材料构件模具数字化设计与制造技术 单位：西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心中航工业西安飞机工业（集团）有限责任公司作者：元振毅王永军魏生民杨选宏杨绍昌发布时间：2013-7-3 16:23:12 复合材料的比强度高、比模量大、耐高温、抗腐蚀、抗疲劳等一系列优点已被世人所共识。航空航天追求性能第一的特点，使其成为先进复合材料技术试验和转化的战场，先进复合材料继铝、钢、钛之后，迅速发展成四大结构材料之一，其用量成为航空航天结构的先进性标志之一[1]。 目前，国外已经实现了复合材料构件的无图设计、制造，全面实现了复合材料的手工设计制造向数字化设计制造的转变；国内这方面还处于起步阶段，部分航空企业将CATIA、FiberSIM等设计软件以及数控下料机、自动铺带机、激光铺层定位仪、大型C扫描等数字化设备应用到了复合材料设计制造过程中，但对复合材料成型模具的数字化设计制造技术重视不够。与常规金属材料成型不同，复合材料构件的成型是材料与结构同时成型的过程，且通常要在模具中完成。制件固化成型后几乎不再作任何加工，其外形尺寸、力学性能以及内部要求等都应满足设计要求，这些都决定了成型模具在复合材料产品制造过程中起着举足轻重的作用。另外，飞机构件外形大多为曲面，蒙皮与长桁等结构的高精度连接配合需要其相应模具加工精度的保障。数字化设计与制造是保障模具加工精度和配合协调的关键。复合材料成型模具数字化设计制造是指将模具的外部形状信息、内部材料组织信息、制造信息、功能信息以及复合材料构件固化变形等因素统一起来，依靠模具数字化设计、数字化仿真分析、数字化制造、数字化检测等方法实现模具的设计与制造，使复合材料构件成型后不需要加工或只需少量加工即可满足设计要求[2]。 复合材料成型模具概述 同金属材料制造相比，复合材料的制造有很大的灵活性。目前树脂基复合材料的成型方法多达20余种。比较常见的有手工成型、缠绕成型、真空袋成型、热压罐成型、热膨胀模塑成型、拉挤成型、模压成型、树脂传递模塑成型（RTM）、喷涂成型等。不同的成型方法对模具的结构形式和模具材料有不同的要求。比较有代表性的模具结构有缠绕成型模具、金属框架式模具、RTM成型模具等。 对于缠绕成型来说，选择适当的芯模对提高复合材料构件成型质量至关重要。合理设计的芯模将使纤维的损伤减至最小且能减小构件尺寸的偏差和残余应力。芯模要求有足够的强度、刚度，且满足精度要求。重复使用的芯模还要保证制件固化后在保持构件和芯模完整性的条件下，芯模和制件能顺利分离[3];金属框架式模具主要用于复合材料热压罐成型，其对模具型板的尺寸精度、表面质量、型板厚度以及模具支撑结构等要求较高，既要满足刚度要求，又要满足其传热要求；RTM成型工艺对上下模具的配合精度、模具表面质量、注射口和排气孔位置、模具密封性以及构件脱模装置等要求较高。复合材料成型模具数字化设计 1 复合材料工艺数模设计 D01超材料与多功能复合材料 D01.超材料与多功能复合材料 分会主席：周济、殷小玮、彭华新、李垚、范同祥、范润华 D01-01 吸波超材料的宽带化、多功能化和智能化 官建国，李维，吴天龙 武汉理工大学 宽带薄层吸波材料对于军事隐身和众多民用领域有重要应用。但无论是对于传统的吸波涂层材料还是新兴的超材料，其宽带性能都亟需进一步提升。此外，复杂的应用环境还对吸波材料提出了多功能化、智能化等要求，将超材料与多样化的构成材料进行复合获得宽带化、多功能化和智能化的超材料是重要趋势。本报告将介绍我们最近在这些方面取得的进展。在宽带化方面，将超材料的设计与传统高性能吸波材料相结合，能够获得宽带性能远远超过单纯超材料或传统材料的全新复合吸波超材料。在微波频段，将超材料的概念引入传统吸波材料的设计中，对吸波涂层材料进行图形化，结果显示其吸收带宽获得了大幅拓宽。也可以将超材料与传统吸波涂层设计成多层复合结构，经过合理的设计能使得超材料的低频吸收性能与吸波涂层的高频宽带吸波性能同时得到保留甚至相互增强，这为超材料与传统吸波材料的结合提供了良好的借鉴。类似的复合思路同样也能扩展到其它频段，如光频：将在光频段具有半介质/半金属属性的TiN用于设计宽带的光频吸收超材料，能够将介质吸收、表面等离子共振吸收和超材料的结构吸收相结合，得到宽带、可控的吸收频带，可应用于高效太阳能转换。在多功能方面，利用超材料构成基材的高透光性质，结合有利于高透光和宽带吸收特性的非平面型超材料的设计获得了具有高可见光透过率的宽带吸波超材料。可调超材料在某些场合可替代宽带吸波材料的作用，并且具有智能化的前景，但基于电路可调的常规调节方法其频率可调范围十分有限。从基础材料与超材料概念结合的角度出发，利用铁氧体在外磁场作用下的宽带可调特性，结合超材料的设计，我 2005年西北工业大学硕士研究生入学试题 一、简答题（每题8分，共40分） 1. 请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 2. 同素异晶转变和再结晶转变都是以形核长大方式进行的，请问两者之间有何差别？ 3. 两位错发生交割时产生的扭折和割阶有何区别？ 4. 请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素又有哪些？ 5. 请简述回复的机制及其驱动力。 二、计算、作图题：（共60分，每小题12分） 1. 在面心立方晶体中，分别画出、和、，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？若外力方向为[001]，请问哪些滑移系可以开动？ 2. 请判定下列位错反应能否进行，若能够进行，请在晶胞图上做出矢量图。 （1） （2） 3. 假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为，请回答： （1）给出滑移位错的单位位错柏氏矢量； （2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？ 4. 若将一块铁由室温20℃加热至850℃，然后非常快地冷却到20℃，请计算处理前后空位数变化（设铁中形成1mol空位所需的能量为104675 J，气体常数为8.314J/mol·K）。 5. 已知三元简单共晶的投影图，见附图， （1）请画出AD代表的垂直截面图及各区的相组成（已知TA>TD）； （2）请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。 三、综合分析题：（共50分，每小题25分） 1. 请对比分析加工硬化、细晶强化、弥散强化、复相强化和固溶强化的特点和机理。 2. 请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题： （1）分析合金I、II的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线； （2）说明室温下I、II的相和组织是什么？并计算出相和组织的相对含量；（3）如果希望得到共晶组织和5%的β初的合金，求该合金的成分； （4）分析在快速冷却条件下，I、II两合金获得的组织有何不同。 2005年西北工业大学硕士研究生入学试题参考答案 一、简答题（每题8 分，共40 分） 1. 请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 答：热力学条件ΔG < 0 结构条件：r > r* 能量条件：A > ΔG max 成分条件 2. 同素异晶转变和再结晶转变都是以形核长大方式进行的，请问两者之间有何差别？ 答：同素异晶转变是相变过程，该过程的某一热力学量的倒数出现不连续；再结晶转变只是晶粒的重新形成，不是相变过程。 3. 两位错发生交割时产生的扭折和割阶有何区别？ 答：位错的交割属于位错与位错之间的交互作用，其结果是在对方位错线上产生一个大小和方向等于其柏氏矢量的弯折，此弯折即被称为扭折或割阶。扭折是指交割后产生的弯折在原滑移面上，对位错的运动不产生影响，容易消失；割阶是不在原滑移面上的弯折，对位错的滑移有影响。 基于复合材料的结构强度与可靠性分析 摘要：在当今工程领域，复合材料作为一种重要的材料类型，广泛应用于航 空航天、汽车、船舶、建筑等领域。复合材料的优异性能和轻量化特点使其成为 替代传统材料的理想选择。然而，复合材料的结构强度和可靠性分析是确保其安 全性和可持续发展的关键问题。 关键词：复合材料；结构强度；可靠性分析 引言 复合材料具有独特的力学性能，如高强度、低密度、良好的疲劳和腐蚀性能等。通过对复合材料结构强度和可靠性的分析，可以深入理解复合材料的力学行 为和性能特点，进一步提高结构的强度和性能。这对于设计和制造更轻、更强、 更耐久的工程结构具有重要意义。 1复合材料概述 复合材料是指将两种或更多的物质结合在一起，使其具有更好的物理化学特性。一种普通的复合材料构造是用加强材和基础材构成的。补强材料一般为纤维，粒子或片状，例如碳纤维，玻璃纤维，陶瓷粒子等。而基质是加固物的承载物， 起到加固物的作用，也起到了承载力的作用。复合材料的特征在于其强度、刚度、韧性和耐磨性都高于单个物质，并且还具有较小的密度和优良的耐蚀性。复合材 料的组成和结构能够按照应用的需要来调节，从而达到满足各种领域的需要，其 广泛的使用和持续的创新促进了材料科学和工程领域的发展。 2复合材料的结构强度分析 2.1结构强度分析 对复合材料进行了强度分析，它需要对复合材料的强度性能和结构设计进行 全面的分析。在复合材料的结构强度分析中，首先需要了解材料的力学性质，如 拉伸强度、剪切强度、弯曲强度等。这可以通过实验测试和材料力学模型的建立 来获得。其次，结构强度分析需要考虑复合材料的结构设计和载荷情况。结构设 计涉及到复合材料的几何形状、层压顺序和厚度等参数的选择。载荷情况可以是 静态加载或动态加载，需要考虑不同方向上的载荷分布和载荷的大小。基于以上 信息，可以采用数值模拟方法进行结构强度分析。常用的方法包括有限元分析、 边界元分析和解析方法等。这些方法可以通过建立合适的材料模型、结构模型和 加载条件来模拟复合材料结构在外部载荷下的响应。结构强度分析的目标是确定 复合材料结构的安全性和承载能力。通过分析结构的应力和应变分布，可以评估 结构的强度，并进行合理的结构优化。这有助于提高复合材料结构的性能、延长 其使用寿命，并确保其在实际工程应用中的可靠性。 2.2强度分析方法的应用 （1）解析方法。解析方法是基于数学模型和解析公式进行强度分析的方法。通过假设材料和结构的简化条件，可以推导出解析解，并计算复合材料结构在不 同载荷情况下的应力和应变分布。解析方法适用于简单几何形状和加载条件的情况，具有计算效率高和结果精确的优点。（2）有限元分析。有限元分析是一种 数值模拟方法，广泛应用于复合材料结构的强度分析。通过将结构离散化为有限 数量的元素，建立数学模型，并利用有限元法求解，可以计算复合材料结构的应力、应变和变形等参数。FEA方法能够模拟复杂几何形状和复杂加载条件下的强 度行为，具有广泛的适用性和较高的准确性。（3）边界元分析。与有限元分析 相比，边界元分析只需要对结构的边界进行离散化，避免了对整个结构进行网格 划分，因此在处理边界问题时具有一定的优势。边界元分析适用于复合材料结构 中的边界和接触问题的强度分析。（4）失效理论。常用的失效理论包括最大应 力理论、最大应变理论和能量方法等。这些理论根据不同的失效准则，将结构的 强度问题转化为寻找在给定载荷下导致失效的最危险区域的问题。失效理论提供 了一种定量评估复合材料结构失效的方法，对结构的强度优化和改进具有指导作用。 3复合材料的可靠性分析 3.1结构可靠性分析 西北工业大学材料学院材料加工工程博士导师的详细信息 材料加工工程 02凝固技术及材料制备成形 傅恒志，男，材料及冶金学家。1929年8月生。1950年西北工学院机械系毕业，1955年在哈尔滨工业大学攻读研究生，1962年被选派去原苏联列宁格勒工学院攻读研 究生，获副博士学位。历任西北工业大学铸造教研室主任、科研处处长、系主任、校长。 1986年任陕西省航空学会理事长。1987年任中国航空学会副理事长兼常务理事，1993 年后任常务理事。1991年任中国材料研究会常务理事。1992年被俄罗斯国立圣彼得堡 技术大学授予名誉博士。1993年当选为国际高校科学院院士，1995年被选为俄罗斯宇 航科学院外籍院士,同年当选为中国工程院院士，第八届全国政协委员等。在凝固理论和新材料加工方面有重要贡献。在非平衡凝固理论、亚快速定向组织及组织超细化、高温合金、稀土永磁合金的凝固组织与性能、电磁约束成形定向凝固技术等方面进行了开创性研究。领导研制的超高梯度定向凝固装置的温度梯度可达1300°C/cm,超出当时国际最好水平达三倍之多；主持创建了枝胞转换及亚快速定向凝固的理论框架，开辟了单晶及定向组织超细化研究的新领域。在此基础上，又提出了电磁成形定向凝固新技术。先后获国家科技进步奖一项，国家发明奖两项，省部级奖10项，发表论文350余篇，已培养博士生和硕士生数十名。 黄卫东，男，凝固技术国家重点实验室主任，教育部长江计划特聘教授，国家 杰出青年科学基金获得者。主要学术兼职：国家自然科学基金委员会金属学科 评审组成员，中国铸造学会副理事长，陕西省铸造学会理事长，教育部本科教 学指导委员会委员，中国光学学会激光加工专业委员会委员，旅英中国材料协 会顾问委员会委员，国际半固态会议科学委员会委员。主要研究领域：凝固与 晶体生长理论，高性能致密金属零件的激光快速成形与修复技术，大型复杂薄 壁铸件精密铸造技术。发表学术论文300余篇，专著1部，授权国家发明专利 8项。培养博士生40人，已毕业17人；培养硕士生34人，已毕业27人；培 养博士后4人，已出站3人。 李双明，男，博士、教授，博士生导师。2002年入选西北工业大学首批“英 才培养计划”，2005年5月破格晋升为教授，同年被评为西北工业大学十大 优秀青年教师之一，2007年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2007年10 月至2008年10月在加拿大McMaster大学做访问学者。目前承担两门研究生 课程的教学工作，科研上主持国家自然科学基金2项，973子项目1项，航空 科学基金1项以及其它科研项目多项，作为主要技术骨干参加了2项国家自然 科学基金重大项目和1项国家973项目。发表学术论文40余篇，其中SCI摘 录20余篇，获得发明专利3项，参加的“特种金属材料电磁约束成形原理和技术”项目在2004年获得了陕西高等学校科学技术一等奖和陕西省科学技术一等奖。 目前主要从事先进金属结构和功能材料（包括金属间化合物、多元合金新材料）的凝固组织控制与制备和可控非稳态定向凝固理论与技术的研究工作。 刘林，男，1988年西北工业大学获博士学位，1991-92作为洪堡学者，在 德国从事客座研究，1994-97年任西北工业大学应用物理系副主任， 1997-2001年任西北工业大学科技处处长、校学术委员会秘书长，现任西北 工业大学先进材料物理冶金研究所所长。 主要从事凝固原理和技术、定向凝固、晶体生长、高温金属材料 和特种合金铸件组织控制等方面的研究。先后主持科研项目33项。 在国内外学术刊物上发表论文110余篇，担任国际会议分会主席6次，在国际学术会议作特邀报告7次。获国家发明四等奖一项，省部级科学技术奖6项，拥有4项国家发明专利。 碳/碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展 摘要：阐述了国内外近几年来碳/碳复合材料抗氧化涂层的研究新进展，并并从碳/碳复合材料的抗氧 化涂层的基本条件以及抗氧化涂层类型等方面重点介绍了抗氧化涂层技术。最后指出了目前关于抗氧化涂层技术研究中存在的问题。 关键词:C/C复合材料；抗氧化涂层；研究进展 Adva nces in Research on High Temperature An ti-oxidatio n Coati ngs of C/C Composites ABSTRACT: Research progress of high temperature anti-oxidati on coat ings of C/C composites at home and abroad has bee n reported. The types of an ti-oxidati on coati ngs of C/C composites are emphasized. The problems existi ng in the oxidati on resista nee coat ing research are poin ted out . KEY WORDS: C/C composite; an ti-oxidation coat ing ; research progress. 1引言 碳/碳复合材料是炭纤维增强炭基体的新型复合材料，具有低密度(理论密度为2. 2 g/ cm33，实际 密度通常为1.75〜2. 10 g/ cm3 )、低热膨胀系数(仅为金属的1/ 5〜1/ 10)、高强度、高模量、耐高温、抗热震、抗热应力、抗裂纹传播、耐烧蚀、摩擦系数小等特点，尤其是它在1 000〜2 300 C时 强度随温度升高而升高，是理想的航空航天及其它工业领域的高温材料[1,2]。然而，碳在370 C的有氧 气氛中开始氧化，高于500 C时迅速氧化，导致碳/碳复合材料毁灭性破坏。这一致命弱点限制了碳/碳复合材料的直接应用。因此，对用作高温热结构材料的碳/碳复合材料必须进行合适的抗氧化保 护。目前碳/碳复合材料的抗氧化设计思路有两种⑶：(1)基体改性技术。(2)抗氧化涂层技术。由于 基体改性技术防氧化效果十分有限，一般只能在1 000 C以下，而且保护时间不长，再者会因为基体中 引入盐类或陶瓷、金属类颗粒使碳/碳复合材料力学性能和热学性能下降。因此，高温抗氧化涂层技 术的研究成为热点。本文仅就近年来国内外学者在碳/碳(C/C )复合材料高温抗氧化涂层技术领域的 研究进展情况进行评述。 2抗氧化涂层的基本条件 C/C复合材料的抗氧化关键在于把易在高温下氧化的碳材料与氧化环境隔离开来。因此，设计可靠有效、耐长时间高温的抗氧化涂层必须具有以下基本条件[4-6]。 (1) 保证涂层均匀、致密、无缺陷，且具有高的熔点和自愈合能力。 (2) 基体与涂层要有适当的粘附性，既不脱粘又不过分渗透基体。最好是化学结合，不形成明显的界 1.为什么Nicalon sic 纤维使用温度低于1100℃？怎样提高使用温度？ 从热力学上讲，C-SIO 2界面在1000℃时界面气相CO 压力可能很高，相应的O 2浓度也较高。只有O 2扩散使界面上O 2浓度达到较高水平时，才能反应生成CO 。但是温度较低时扩散较慢，因此C-SiO 2仍然在1000℃左右共存。 当温度升到1100℃，1200℃时，CO 的压力将会更高，此时O 2的浓度也较高，而扩散速度却加快。因而，SiC 的氧化速度加快，导致Nicalon 纤维在1100℃，1200℃时性能下降很快。 要提高Nicalon 纤维的使用温度，需降低Nicalon 纤维的游离C 和O 的含量，以防止游离C 继续与界面O 反应。 2.复合材料的界面应力是怎样产生的？对复合材料的性能有何影响？ 复合材料的界面应力主要是由于从制备温度冷却到室温的温度变化△T 或是使用过程中的温度变化△T 使得复合材料中纤维和基体CTE （coefficient of thermal expansion 热膨胀系数？）不同而导致系统在界面强结合的情况下界面应力与△T 有着对应关系；在界面弱结合的情况下，由于滑移摩擦引起界面应力。 除了热物理不相容外，还有制备过程也能产生很大甚至更大的界面应力。如：PMC 的固化收缩，MMC 的金属凝固收缩，CMC 的凝固收缩等。 △CTE 限制界面应力将导致基体开裂，留下很多裂纹，裂纹严重时将使复合材料解体，使复合材料制备失败，或是使其性能严重下降，△CTE 不大时，弹塑性作用，不会出现裂纹。而对于CMC ，即使不会出现明显的裂纹，基体也已经出现了微裂纹。这些微裂纹对复合材料的性能不会有很的影响，相反，这些微裂纹对CMC 复合材料的增韧有帮助，因为微裂纹在裂纹扩展过程中将会再主裂纹上形成很多与裂纹而消耗能量，从而达到增韧的目的。 3．金属基复合材料界面控制的一般原则是什么？ 金属基复合材料要求强结合，此时能提高强度但不会发生脆性破坏。均存在界 面化学反应趋势，温度足够高时将发生界面化学反应，一定的界面化学反应能增加界面的结合强度，对增强有利。过量的界面化学反应能增加界面的脆性倾向对增韧不利。因此，MMC 的界面化学反应是所希望的，但是应该控制适度。 具体原则有： 纤维表面涂层处理：改善润湿性，提高界面的结合强度，并防止不利的界面反应。 基体改性：改变合金的成分，使活性元素的偏聚在f/m 界面上降低界面能，提高润湿性。 控制界面层：必须考虑界面层的厚薄，以及在室温下熔体对纤维及纤维表面层的溶解侵蚀。纤维及其表面层金属熔体中均具有一定的溶解度。因而，溶解和侵蚀是不可避免的。 4.为什么玻璃陶瓷/Nicalon 复合材料不需要制备界面层？ 氧化物玻璃基体很容易与Nicalon SiC 纤维反应：SiC+O 2=SiO 2+C 这一反应可以被利用来制备界面层。 氧化物玻璃基体与Nicalon SiC 纤维还可能发生其它氧化反应，但由于需要气相产物扩散离开界面，因为其他热力学趋向很大，但反应驱动力相对较小。因上述反应生成的SiO 2 在SiO 2基玻璃中很容易溶入玻璃基体。如果使用的玻璃基体不发生饱和分相的话，反应的结果将在界面上生成C 界面层或纤维的表面层，因而不需要预先制备界面层，这就是玻璃陶瓷的最大优点。 5．复合材料有哪三个组元组成，作用分别是什么？ 复合材料是由：基体，增强体，界面。 基体：是复合材料中的连续相，可以将增强体粘结成整体，并赋予复合材料一 定形状。有传递外界作用力，保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。 增强体：主要是承载，一般承受90%以上的载荷，起着增大强度，改善复合材 料性能的作用。 界面：1.传递作用：载荷施加在基体上，只有通过界面才能传递到增强体上， 发挥纤维的承载能力，所以界面是传递载荷的桥梁。 2.阻断作用：结合适当的界面有阻止裂纹扩展，中断材料破坏，减缓应力集中的作用。 3.保护作用：界面相可以保护增强体免受环境的腐蚀，防止基体与增强体 之间的化学反应，起到保护增强体的作用。 6. 请说明临界纤维长度的物理意义？ 能够达到最大纤维应力，即极限强度σfu 的最小纤维长度，称为临界长度Lc ，临 界纤维长度是载荷传递长度的最大值。 L 基于 POD 降阶方法的复合材料曲壁板颤振响应特性研究 周建;杨智春 【摘要】The equations of motion for nonlinear flutter of curved composite panels were developed with the finite element method.The reduced order modes constructed with the proper orthogonal decomposition (POD)method were used in reducing the order of these equations,and the equations of motion were transformed into a reduced nonlinear system under the POD modal coordinates,then the reduced equations were solved in time domain by using the numerical integration https://www.360docs.net/doc/2619393866.html,pared with the results calculated using the traditional modal reduction method,the results using POD method based on reduced order models agreed well with the former,and also saved the computation time greatly.%建立了三维 复合材料曲壁板的气动弹性有限元方程，将本征正交分解方法（POD）应用于三 维复合材料曲壁板的非线性颤振响应降阶分析中，通过 POD 方法构造三维复合材料曲壁板颤振响应的 POD 模态，然后将系统的运动方程变换到 POD 模态坐标下，通过数值积分方法计算三维复合材料曲壁板的颤振响应，与传统的模态缩减法计算结果相比，结果很好的吻合，且大大节省了计算时间。 【期刊名称】《振动与冲击》 【年(卷),期】2017(036)001 【总页数】7页(P38-44) 【关键词】曲壁板;壁板颤振;本征正交分解材料工程基础---教学大纲
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