1、复合材料习题第一章一、判断题：判断以下各论点的正误。1、复合材料是由两个组元以上的材料化合而成的。 （）2、混杂复合总是指两种以上的纤维增强基体。 （）3、层板复合材料主要是指由颗料增强的复合材料。 （）4、最广泛应用的复合材料是金属基复合材料。 （）5、复合材料具有可设计性。 （）6、竹、麻、木、骨、皮肤是天然复合材料。 （）7、分散相总是较基体强度和硬度高、刚度大。 （）8、玻璃钢问世于二十世纪四十年代。 （）二、选择题：从 A、B、C、D 中选择出正确的答案。1、金属基复合材料通常（B、D）A、以重金属作基体。B、延性比金属差。C、弹性模量比基体低。D、较基体具有更高的高温强度。2、目前
2、，大多数聚合物基复合材料的使用温度为（B）A、低于 100。B、低于 200。C、低于 300。D、低于 400。3、金属基复合材料的使用温度范围为（B）A、低于 300。B、在 350-1100之间。C、低于 800。D、高于 1000。4、混杂复合材料（B、D）A、仅指两种以上增强材料组成的复合材料。B、是具有混杂纤维或颗粒增强的复合材料。C、总被认为是两向编织的复合材料。D、通常为多层复合材料。5、玻璃钢是（B）A、玻璃纤维增强 Al 基复合材料。B、玻璃纤维增强塑料。C、碳纤维增强塑料。D、氧化铝纤维增强塑料。6、功能复合材料（A、C、D）A、是指由功能体和基体组成的复合材料。B、包括
3、各种力学性能的复合材料。C、包括各种电学性能的复合材料。D、包括各种声学性能的复合材料。7、材料的比模量和比强度越高（A）A、制作同一零件时自重越小、刚度越大。B、制作同一零件时自重越大、刚度越大。C、制作同一零件时自重越小、刚度越小。D、制作同一零件时自重越大、刚度越小。三、简述增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用，并举例说明。填充：廉价、颗粒状填料，降低成本。例：PVC 中添加碳酸钙粉末。增强：纤维状或片状增强体，提高复合材料的力学性能和热性能。效果取决于增强体本身的力学性能、形态等。例：TiC 颗粒增强 Si3N4 复合材料、碳化钨/钴复合材料，切割工具；碳 /碳复合材料，导
4、弹、宇航工业的防热材料（抗烧蚀） ，端头帽、鼻锥、喷管的喉衬。赋予功能：赋予复合材料特殊的物理、化学功能。作用取决于功能体的化学组成和结构。例：1-3 型 PZT棒/环氧树脂压电复合材料，换能器，用于人体组织探测。四、复合材料为何具有可设计性？简述复合材料设计的意义。如何设计防腐蚀（碱性）玻璃纤维增强塑料？组分的选择、各组分的含量及分布设计、复合方式和程度、工艺方法和工艺条件的控制等均影响复合材料的性能，赋予了复合材料性能的可设计性。意义：每种组分只贡献自己的优点，避开自己的缺点。由一组分的优点补偿另一组分的缺点，做到性能互补。使复合材料获得一种新的、优于各组分的性能（叠加效应） 。优胜劣汰、
5、性能互补、推陈出新。耐碱玻璃纤维增强塑料的设计：使用无碱玻璃纤维和耐碱性树脂（胺固化环氧树脂） 。在保证必要的力学性能的前提下，尽量减少玻璃纤维的体积比例，并使树脂基体尽量保护纤维不受介质的侵蚀。五、简述复合材料制造过程中增强材料的损伤类型及产生原因。力学损伤：属于机械损伤，与纤维的脆性有关。脆性纤维（如陶瓷纤维）对表面划伤十分敏感，手工操作、工具操作，纤维间相互接触、摆放、缠绕过程都可能发生。化学损伤：主要为热损伤，表现为高温制造过程中，增强体与基体之间化学反应过量，增强体中某些元素参与反应，增强体氧化。化学损伤与复合工艺条件及复合方法有关。热损伤伴随着增强体与基体之间界面结构的改变，产生界
6、面反应层，使界面脆性增大、界面传递载荷的能力下降。六、简述复合材料增强体与基体之间形成良好界面的条件。在复合过程中，基体对增强体润湿；增强体与基体之间不产生过量的化学反应；生成的界面相能承担传递载荷的功能。复合材料的界面效应，取决于纤维或颗粒表面的物理和化学状态、基体本身的结构和性能、复合方式、复合工艺条件和环境条件。第二章一、什么是相乘效应？举例说明。两种具有转换效应的材料复合在一起，产生了连锁反应，从而引出新的机能。可以用通式表示：X/YY/Z=X/Z（式中 X、Y、Z 分别表示各种物理性能） 。压磁效应磁阻效应 =压敏电阻效应；闪烁效应光导效应=辐射诱导导电。例：磁电效应（对材料施加磁场
7、产生电流）传感器，电子回路元件中应用。压电体 BaTiO3 与磁滞伸缩铁氧体 NiFe2O4 烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到 BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。最大输出已达 103 VA。单一成分的 Cr2O3 也有磁电效应，但最大输出只有约 170 VA。三、推导单向板复合材料中纤维体积分数与纤维半径的关系（以正方形阵列为例） 。纤维体积：(41/4)r 2l=r2l复合材料体积：(2R) 2l=4R2l纤维体积分数：V f=r2l/(4R2l)= r2/(4R2)纤维间距与纤维体积分数的关系：s=2R-2r=2r2/(4Vf)1/2-2r=2
8、(/4Vf)1/2-1r四、什么是材料复合的结构效果？试述其内涵。结构效果是指在描述复合材料的性能时，必须考虑组分的几何形态、分布形态和尺度等可变因素。这类效果往往可以用数学关系描述。结构效果包括：1、几何形态效果（形状效果）：决定因素是组成中的连续相。对于 1 维分散质，当分散质的性质与基体有较大差异时，分散质的性能可能会对复合材料的性能起支配作用。2、分布形态效果（取向效果）：又可分为几何形态分布（几何体的取向）和物理性能取向：导致复合材料性能的各向异性，对复合材料的性能有很大影响。3、尺度效果：影响材料表面物理化学性能（比表面积、表面自由能） 、表面应力分布和界面状态，导致复合材料性能的
9、变化。五、简述单向复合材料的细观力学分析模型的基本假设的要点。单元体：宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性。增强体：匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续。基体：匀质、各向同性、线弹性。界面：粘结完好（无孔隙、滑移、脱粘等） 、变形协调。八、比较弥散增强原理和颗粒增强原理的异同点。1、承担载荷的物质有异：弥散增强原理：基体承担载荷。颗粒增强原理：基体承担主要的载荷，颗粒也承受载荷并约束基体的变形。2、颗粒大小及体积分数有异：弥散增强原理：V p=0.01-0.15，d p=0.001m-0.1m。颗粒增强原理：颗粒尺寸较大（1 m） 、颗粒坚硬。颗粒直径为 1-50m，颗粒间距为 1
10、-25m，颗粒的体积分数为 0.05-0.5。颗粒强化效果类似：颗粒阻止基体中位错运动的能力愈大，增强效果愈好。微粒尺寸愈小，体积分数愈高，强化效果愈好。复合材料的屈服强度： （弥散增强原理）1/23pympdGbV（颗粒增强原理）1/2pympbDcdc九、试推导单向板的横向弹性模量 E2 的表达式。横向载荷垂直于纤维，等同地作用在纤维和基体上，适用串联模型：基体和纤维承受同样的外加应力（）22fm纤维、基体和复合材料的应变分别为： 2222ffmEE在宽度 W 上产生的形变增量：，或，fm2ffVW可得到： ，或，21fVE21fmfE十、讨论单向板复合材料的破坏顺序（ fusv 时，易发
11、生浸润。C、接触角 =0时，不发生浸润。D、是液体在固体上的铺展。3、增强材料与基体的作用是（A、D）A、增强材料是承受载荷的主要组元。B、基体是承受载荷的主要组元。C、增强材料和基体都是承受载荷的主要组元。D、基体起粘结作用并起传递应力和增韧作用。4、混合定律（A）A、表示复合材料性能随组元材料体积含量呈线性变化。B、表示复合材料性能随组元材料体积含量呈曲性变化。C、表达了复合材料的性能与基体和增强体性能与含量的变化。D、考虑了增强体的分布和取向。5、剪切效应是指（A）A、短纤维与基体界面剪应力的变化。B、在纤维中部界面剪应力最大。C、在纤维末端界面剪应力最大。D、在纤维末端界面剪应力最小。
12、6、纤维体积分量相同时，短纤维的强化效果趋于连续纤维必须（C）A、纤维长度 l=5lc。B、纤维长度 l10lc。 。7、短纤维复合材料广泛应用的主要原因（A、B）A、短纤维比连续纤维便宜。B、连续纤维复合材料的制造方法灵活。C、短纤维复合材料总是各相同性。D、使短纤维定向排列比连续纤维容易。8、当纤维长度 llc 时，纤维上的平均应力（ A、C ）A、低于纤维断裂应力。B、高于纤维断裂应力。C、正比于纤维断裂应力。D、与 l 无关。三、氧化铝纤维和 SiC 纤维的密度分别为 3.3g/cm3 和 2.6g/cm3，若对这两种纤维进行拉伸试验，在拉伸试验中直到纤维失效时的变形为弹性变形，平均拉
13、伸强度和失效应变氧化铝纤维为 1500MPa 和 0.4%，SiC纤维为 2300MPa 和 1.0%。计算这两种纤维的比模量和比强度。解答：比模量 GPa/(g/cm3)：氧化铝纤维 113.6；碳化硅纤维 88.5。比强度 MPa/(g/cm3)：氧化铝纤维 454.5；碳化硅纤维 884.6。四、直径 7m、长度 2mm 的碳纤维单向增强聚碳酸脂基体，纤维的拉伸强度和纤维与基体的界面强度分别为 2.5GPa 和 12.5GPa。计算(1)临界纤维长度 lc 和(2)长度方向复合材料的拉伸强度。解答：(1)l c=0.7mm；(2)843MPa。五、采用 XDTM 法制备 TiC/Al，为
14、什么需要采用(1)一定粒度的 Ti、Al 和碳粉；(2)按一定量比例进行混合后，压制成预制体；(3)加热至一定反应温度?采用 XDTM 法可以制备出 Al4C3/Ti 或 TiC/Al4C3/Al 吗? 为什么?解答：从 Ti、Al、C 的互相反应热力学去考虑。六、已知含 20vol%SiCp/A1 在 350和应力为 50MPa 时的蠕变速率为 1.510-7S-1，该材料的蠕变应力指数n 为 15。计算在 350，当应力增加到 60MPa 时该材料的蠕变速率。解答：2.310 -6S-1。七、根据下图，讨论为什么在相同体积含量下，SiC 晶须增强 MMC 强度（抗拉与屈服强度）均高于颗粒增
15、强 MMC，而这两者的弹性模量相差不大。解答：从混合定律及晶须与颗粒的强度与模量考虑。八、已知 1400时 Al2O3 的氧扩散渗透率为 310-10g/cms，密度为 1.9g/cm3，厚度为 20cm 的 C/C 涂覆Al2C3 后在 1400、100 小时后的氧化失重率为 1%，计算此时 Al2O3 涂层至少应需的厚度为多少?（式中，当 C/C 中碳氧化为 CO，K=0.75）/RKMxh解答：R 为 C/C 复合材料的氧化速率，单位：%/h；K 为常数，当 C/C 复合材料中碳氧化生成CO， K=0.75；为 C/C 复合材料的体密度，单位为 g/cm3；x 为 C/C 复合材料构件截
16、面厚度的 1/2，单位为cm； h 为涂层厚度，单位为 cm； M 为涂层的氧扩散渗透率，单位为 g/cms。4.26m。九、试述影响复合材料性能的因素。基体和增强材料（增强体或功能体）的性能；复合材料的结构和成型技术；复合材料中增强材料与基体的结合状态（物理的和化学的）及由此产生的复合效应。十、复合材料的界面具有怎样的特点？界面相的化学组成、结构和物理性能与增强材料和基体的均不相同，对复合材料的整体性能产生重大影响。界面具有一定的厚度（约几个纳米到几个微米） ，厚度不均匀。材料特性在界面是不连续的，这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。材料特性包括元素的浓度、原子的配位、晶体结构、密度、
17、弹性模量、热膨胀系数等。十一、什么是浸润？如何描述浸润程度的大小？试讨论影响润湿角大小的因素。浸润：固-气界面被固-液界面置换的过程，用于描述液体在固体表面上自动铺展的程度。固体表面的润湿程度可以用液体分子对其表面的作用力大小来表征，具体来说就是接触角。Young 公式讨论了液体对固体的润湿条件：coslvsvl降低液-固表面能和液-气表面能或者增大固-气表面能有助于润湿。=0（ lv=sv-sl） ，完全浸润；0sv-sl0） ，部分浸润；90（ svsl） ，完全不浸润。影响接触角（润湿角）大小的因素：固体表面的原始状态，例：吸附气体、氧化膜等均使接触角增大。固体表面粗糙度增加将使接触角减
18、小。固相或液相的夹杂、相与相之间化学反应的产物都将影响润湿性。原因：夹杂或反应产物改变了固相的性质和固相的表面粗糙度。十二、如何改善基体对增强材料的润湿性？1、纤维表面处理：清除纤维表面的杂质、气泡、用化学方法去除纤维表面的氧化膜，或者表面涂层，这些操作都能增进液态基体对纤维的润湿性。2、变更基体成分：对于金属基复合材料，合金化改善润湿性最方便、有效。加入合金元素后，角的变化还与熔化时间有关。3、改变温度：一般，提高制造温度可以增加润湿性，但是，过高的温度会产生一些不利影响：基体严重过热、氧化、基体与增强材料在高温下发生化学反应、增强材料损伤等。4、增加液体压力：对于不润湿的情况，必须施加大于
19、 Pc（ ）的外压才能使液4/coslvfVd体渗入纤维束。5、改变加工气氛： sv 和 lv 值随气体性质的不同而变化，因此改变制造过程中的环境气氛可以控制液体与固体之间的润湿状况。固体或液体表面吸附某种气体，也可以改变 sv 或 lv。十三、简述玻璃纤维表面化学组成、结构及反应性的特点。玻璃纤维整体化学组成包含 Si、O、Al、Ca、Mg、B、F、Na 等，但其表面只含有 Si、O、Al。玻璃纤维的结构与块状玻璃相似：由三维空间的不规则连续网络构成，阳离子位于多面体中心，被一定数目的 O2-包围，在玻璃内部阳离子与阴离子的作用力处于平衡状态。玻璃表面的阳离子不能获得所需数量的 O2-，因而
20、产生一种表面力，此表面力与表面张力、表面吸湿性密切相关，有吸附外界物质的倾向。玻璃纤维表面会吸附多层水分子膜，表面吸附的水与玻璃组成的中的碱金属或碱土金属作用，在玻璃表面形成-OH 基： Si-OD+H2OSi-OH+D+OH-（D：碱金属或碱土金属）玻璃纤维上所吸附的水具有明显的碱性，将进一步与二氧化硅网络反应：Si-O-Si+OH-Si-OH+Si-O-反应中生成的Si-O -将继续与水反应形成另外的OH-：Si-O -+H2OSi-OH+OH-这样，表面的吸附水就破坏了玻璃纤维中的 SiO2 网络结构，玻璃纤维成分中含碱量愈高，吸附水对 SiO2骨架的破坏愈大，纤维强度下降就愈大。玻璃纤
21、维表面的反应性主要是由表面明显的碱性和 Si-OH 基团所决定。Si-OH 基团具有一般活性基团所具有的反应性质，这种性质是纤维表面改性、改善纤维与树脂基体界面粘结的有利条件。十四、简述复合材料的界面结合类型及其特点。1、机械结合：增强材料与基体之间仅依靠纯粹的粗糙表面相互嵌入（互锁）作用进行连接（摩擦力） ，没有化学作用。影响机械结合的因素：增强材料与基体的性质、纤维表面的粗糙度、基体的收缩（正压力）有利于纤维箍紧。2、溶解与浸润结合：在复合材料的制造过程中，由单纯的浸润和溶解作用，使增强材料和基体形成交错的溶解扩散界面，是一种次价键力的结合。 （当基体的基团或分子与增强材料表面间距小于 0
22、.5nm 时，次价键力就发生作用。次价键力包括诱导力、色散力、氢键等。 ）形成溶解与浸润结合的基本条件：增强材料与基体间的接触角小于 90，增强材料与基体间有一定的溶解能力。3、反应界面结合：基体与增强材料间发生化学反应，在界面上形成新的化合物、以主价键力相互结合。这是一种最复杂、最重要的结合方式。反应结合受扩散控制，扩散包括反应物质在组分物质中的扩散（反应初期）和在反应产物中的扩散（反应后期） 。要实现良好的反应结合，必须选择最佳的制造工艺参数（温度、压力、时间、气氛等）来控制界面反应的程度。界面反应层是非常复杂的组成，有时发生多个反应，产生交换反应结合。界面的反应产物大多是脆性物质，达到一
23、定厚度时，界面上的残余应力可使其发生破坏，因此，界面结合先随反应程度提高而增加结合强度，但反应达到一定程度后，界面结合有所减弱。4、混合结合：上述界面结合方式的混合，实际情况中发生的重要的界面结合形式。十五、简述影响增强材料与基体粘结性能的因素。固-液复合过程中，固体表面与液体的浸润性。不同组分的分子或原子彼此相互接近时的状态，形成化学结合时相互作用的强弱。化学结合的形式（主价键结合：共价键、离子键、金属键等；次价键作用：静电作用、诱导力、色散力、氢键、分子间的扩散等） 。十六、试讨论碳纤维/环氧树脂复合材料的界面反应。碳纤维表面含有氧原子，以羟基、羰基、羧基、内酯基形式存在，这些基团可以与树
24、脂基体中的胺基、环氧基等基团形成氢键。但是，碳纤维表面的这些含氧基团的浓度很低，反应的活性点很稀少，需要通过表面改性以减小碳纤维表面晶棱尺寸、增加表面积以及增加碳纤维表面含氧基团。例：碳纤维的氧化处理：氧含量显著增加，氧化过程分别产生羟基、羰基、羧基，并可能以环状官能团形式存在。胺固化的环氧树脂中的胺基能与碳纤维表面的羧基形成氢键，环氧基也能与羟基和羧基形成氢键，在过量单体和较高温度时，这些氢键就转变成共价键。十七、试讨论玻璃纤维增强混凝土中玻璃受到侵蚀的类型及其防护方法。中碱、无碱玻璃纤维在硅酸盐水泥水化物中受到侵蚀，导致玻璃纤维增强混凝土的抗拉强度大幅度下降，甚至丧失殆尽。化学侵蚀：水泥水
25、化生成的 Ca(OH)2 与玻璃纤维的硅氧骨架之间发生化学反应生成水化硅酸钙，当水泥液相中有 NaOH、KOH 存在时会加速反应。应力侵蚀：由于玻璃纤维表面存在缺陷，水泥水化生成的晶体可进入这些缺陷中，在缺陷端部造成应力集中并使缺陷扩展。防止水泥水化物对玻璃纤维侵蚀的措施：改变玻璃纤维的化学组分。例：加入较多量的 ZrO2 可提高玻璃纤维的抗碱性。对玻璃纤维表面进行被覆处理，以隔绝水泥水化物对纤维的侵蚀。例：可用锆、钛、锌、铝等金属的水溶性盐对玻璃纤维进行处理；也可用抗碱性好的树脂（环氧树脂、呋喃）对玻璃纤维进行浸渍处理而后使之固化。使用水化物碱度低的水泥以减缓或防止对玻璃纤维的侵蚀。例：采用
26、水化产物中 Ca(OH)2 含量低的甚至无 Ca(OH)2 的水泥（高铝水泥、硫铝酸盐水泥） 。十八、试讨论硼纤维-铝基复合体系的界面反应及其防护。B 在高温下，除 Ag、Cu、Sn 、Be 外，可以与其它金属发生反应生成不规则的结构，形成脆性的反应层。硼纤维和铝的界面反应由于渗入氧生成氧化物而发生破坏，即 B2O3 层的破坏。当铝的纯度较高时，在纤维上生成 AlB2：Al+2BAlB22B+3OB2O3碳化硅涂层能使硼纤维具有突出的抗氧化性。因为硼接触不到铝，硼化物的形成完全被抑制。铝与硅不形成化合物，而铝与碳的反应在碳化硅存在的情况下，在热力学上是非常困难的。硼或铝穿过碳化硅移动的扩散系数
27、在 800K 时非常小，2.5m 的碳化硅层已足以阻挡扩散。十九、什么是增强材料的表面处理？简述偶联剂的化学结构及作用。表面处理是在增强材料的表面涂覆上表面处理剂（包括浸润剂、偶联剂、助剂等物质） ，它有利于增强材料与基体间形成良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。偶联剂的化学结构：分子两端含有性质不同的基团，一端的基团与增强材料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，从而使增强材料与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，并有效地抵抗水的侵蚀。二十、试讨论玻璃纤维的表面处理中偶联剂用量的确定及影响表面处理效果的因素。偶联剂的
28、用量会影响最后处理效果，在实际应用中起偶联作用的是偶联剂单分子层。过多地使用偶联剂是不必要和有害的。每种偶联剂的实际最佳用量，多数要从实验中确定。偶联剂用量也可采用计算法求得：100g 给定被处理的增强材料的表面积，被 1g 硅烷偶联剂的最小涂覆面积除，即得该硅烷偶联剂在 100g此种被处理材料上涂覆一单分子层时所需要的量。偶联剂在被处理材料表面上的涂覆并非只是单分子层，被处理材料单丝之间的间隙中往往比表面上含有更多的偶联剂，也不能保证偶联剂分子全部涂覆在被处理材料的表面上，所以，偶联剂的实际用量应高于上述计算值。影响处理效果的因素：处理方法的影响：不同的处理方法会影响处理效果。一般来说，前处
29、理法的效果最为明显。烘焙温度的选择：温度过低不起反应，达不到应有的偶联效果；温度过高会引起偶联剂分解和自聚等不良后果，以致严重影响偶联效果。烘焙时间的选择：烘焙时间应选择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。随着烘焙时间的延长，被处理玻璃纤维的憎水性有所提高，但是处理时间过长生产效率就低。一般采用高温短时间的烘焙制度。处理液的配制及使用：直接影响处理效果，应该严格控制处理液的 pH 值，以抑制水解产物的自行缩合。在整个处理过程中，对处理液的 pH 值应不断调节。二十一、试述碳纤维的表面处理方法及作用效果：1、表面浸涂有机化合物：采用类似纺织中的浆纱工艺，在碳纤维表面涂覆含有
30、反应性端基的树脂（羟端基的丁二烯/丙烯酸共聚物等） ，以改善碳纤维的界面粘结性。2、表面涂覆无机化合物：表面上沉积无定形碳：在高模量结晶型碳纤维表面加涂一层低模量无定形碳，无定形碳活性大，易与树脂浸润，提高界面粘结力，能显著提高碳纤维复合材料的层间剪切强度。加涂碳化物：用化学气相沉积（CVD）的方法加涂碳化物。3、表面化学处理：臭氧氧化法：臭氧极易分解成一个氧分子和一个新生态活泼氧原子，氧化碳纤维表面的不饱和碳原子，生成含氧官能团。阳极电解氧化法：靠电解产生的新生态氧对碳纤维表面进行氧化和腐蚀，碳纤维表面被氧化腐蚀，使比表面积增大、化学基团增加。盐溶液处理：先浸涂甲酸、乙酸、硝酸等的铜、铅、钴
31、等盐类溶液，然后在空气或氧气中于 200-600下氧化，使碳纤维表面粗糙而达到改善效果。第五章一、简述陶瓷基复合材料的特点及制造步骤。陶瓷基复合材料的特点：E f 和 Em 的数量级相当；陶瓷基体的韧性有限；增强材料与陶瓷基体之间的热膨胀系数不匹配、化学相容性问题突出。陶瓷基复合材料的制造通常分为两个步骤：将增强材料掺入未固结（或粉末状）的基体材料中排列整齐或均匀混合；运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提下制成复合材料制品。二、简述连续纤维增强陶瓷基复合材料的料浆浸渍-热压烧结工艺及其优、缺点。料浆浸渍-热压烧结工艺：纤维通过含有超细陶瓷基体粉末的料浆使之浸渍，浸挂料浆的纤维缠
32、绕在卷筒上，烘干、切割，得到纤维无纬布；纤维无纬布裁剪、铺层排列、热压烧结得到陶瓷基复合材料。浸渍料浆的组成：陶瓷基体超细粉末、溶剂（水或甲醇） 、有机粘结剂，有时还加入促进剂和润湿剂（提高纤维在料浆中的浸润性） 。料浆中的陶瓷粉体粒径应小于纤维直径，并能悬浮于料浆中；纤维应选用容易分散的、捻数低的束丝；所选用的粘结剂能够完全去除。料浆浸渍-热压烧结工艺的优点：烧结温度低、烧结时间短，所得制品的致密度高。可以制备纤维定向排列、低孔隙率、高强度的陶瓷基复合材料。料浆浸渍-热压烧结工艺的缺点：要求基体有较高的熔点或软化点。生产效率较低（适合单件和小规模生产） ，工艺成本较高。制品垂直于加压方向的性
33、能和平行于加压方向的性能差别明显。纤维与基体的比例较难控制，纤维不易在制品中均匀分布。三、简述晶须增强陶瓷基复合材料的先驱体转化法制造工艺及其优、缺点。先驱体转化法工艺流程：晶须、陶瓷微粉、有机先驱物、溶剂均匀混合预成型坯件（模压） 先驱物热解成陶瓷基体（一定温度和气氛）陶瓷基复合材料。先驱体转化法的优点：成型容易，烧结温度低，工艺重复性高。先驱体转化法的缺点：制品气孔率高，收缩变形大。晶须增强陶瓷基复合材料制造工艺的问题：晶须比表面积大（晶须直径小、长径比大） ，与陶瓷基体的反应性高，容易簇聚，导致晶须与陶瓷基体粉末均匀混合困难。为此，进行晶须净化，晶须净化的方法：采用沉降技术除去颗粒杂质。
34、四、简述原位生长晶须增强陶瓷基复合材料的制造工艺及其优、缺点。原位生长晶须：陶瓷烧结的致密化过程中，通过化学反应，在陶瓷基体内生长出晶须（或高长径比的晶体），从而得到晶须增强陶瓷基复合材料。原位生长工艺的优点：原料廉价，对环境污染小；工艺简单，晶须生长按冷却方向择优取向，不存在生成的晶须与基体的相容性问题和热膨胀匹配的问题；可以制造形状复杂、大尺寸的产品；烧结过程中没有收缩，得到近净成型制品。原位生长工艺的缺点：难以制备完全致密的陶瓷基复合材料（增加热压工序可提高致密化程度） 。例：自增强氮化硅陶瓷复合材料（Si 3N4/Si3N4）氮化硅陶瓷在高压氮气气氛中烧结，生长出长径比达 10:l 的
35、-Si 3N4 晶体。原位生长晶须示意图：在烧结助剂作用下，-Si 3N4 烧结过程中生长出-Si 3N4 晶须。当 -Si3N4 的生长速度约为-Si 3N4 的两倍时，-Si 3N4 的活化能是各向异性的，有生长成棒状（rodlike）-Si 3N4 晶体的趋势。五、简述碳/碳复合材料的性能。力学性能：密度小；拉伸强度、弯曲强度、杨氏模量高（三向织物制品的强度最高） ；脆性大（断裂应变 0.12%-2.4%） ，应力- 应变曲线呈现“假塑性效应”：施加载荷初期呈线性关系，随后变为双线性。卸载后再加载荷，曲线仍为线性，并可达到原来的载荷水平。热物理性能：热膨胀系数小（仅为金属的 1/10-1
36、/5） ，尺寸稳定；热导率高，并可以调节；比热容高；抗热震因子大（为各类石墨制品的 1-40 倍） 。烧蚀性能（蒸发升华、热化学氧化）：碳/碳复合材料烧蚀均匀、烧蚀凹陷浅，能良好地保持制件外形；烧蚀热高（材料烧蚀时带走大量的热，使传递到材料内部的热量减少），为内层材料和存放的器件提供保护。化学稳定性：具有与碳一样的化学稳定性（含有 99%以上的碳，少量的氢和微量的金属元素） ；抗氧化性能差。改善碳/碳复合材料抗氧化性能的方法：浸渍树脂时加入抗氧化物质；气相沉积碳时加入抗氧元素；碳化硅涂层。六、简述陶瓷的增韧方法。应力强度因子（支配裂纹扩展的尖端应力）： 0lim2tpti tiptiRK1、晶
37、须和纤维增韧：吸收能量。裂纹扩展受阻：当增强体（纤维或颗粒）的断裂韧性大于基体中某些区域的断裂韧性时，纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势，可以使基体裂纹压缩并闭合，阻止裂纹的扩展。纤维（或晶须）拔出：具有较高断裂韧性的纤维，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，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。纤维（或晶须）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，从而增大材料的韧性。2、相变增韧：（shielding mechanism）在含有部分稳定的氧化锆
38、粒子的氧化铝复合材料中：在裂纹尖端的应力区域，稳定的氧化锆（ZrO 2+Y2O3）发生应力诱导的马氏体相变（一部分断裂能量被用于应力诱发转移）：ZrO 2 (t)ZrO2 (m)，产生约 5%的体积膨胀和约 16%的剪切变形（剪切变形由产生孪晶等方式抵消） 。这种体积膨胀和切变，在裂纹尖端产生了一种封闭裂纹的应力，减少了集中在裂纹尖端的拉伸应力，使裂纹扩展困难，达到增韧效果。3、微裂纹韧化：（crack shielding mechanism）：吸收能量主裂纹扩展时，其尖端高应力区域容易产生微裂纹，微裂纹是产生膨胀应变的机理之一：在微裂纹产生之前，存在有局部的拉伸残余应力。微裂纹增韧机制适合于基体弹性模量较低的陶瓷基复合材料。4、非屏蔽机理：利用裂纹与材料间的相互作用消耗额外的能量，使断裂能量提高，对应力强度因子的贡献很小，包括裂纹偏转（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，呈锯齿状扩展，从而使断裂路径增加）或裂纹弯曲（裂纹扩展时由于强化相的阻碍使得尖端路径弯曲，从而使测得的断裂韧性值提高） 。
