2025年工程復(fù)合材料試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下關(guān)于工程復(fù)合材料的描述中，正確的是（）A.由單一化學(xué)組分構(gòu)成的均勻材料B.各組分間無明確界面，性能呈線性疊加C.通過不同相的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)單一材料無法達(dá)到的綜合性能D.僅包含纖維和樹脂兩種組分答案：C2.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，碳纖維的主要作用是（）A.提供耐高溫性能B.承擔(dān)主要載荷C.改善加工流動性D.降低材料密度答案：B3.金屬基復(fù)合材料與樹脂基復(fù)合材料相比，最顯著的優(yōu)勢是（）A.密度更低B.耐腐蝕性更好C.高溫力學(xué)性能更穩(wěn)定D.成型工藝更簡單答案：C4.界面結(jié)合強(qiáng)度過低時，復(fù)合材料易發(fā)生的主要失效形式是（）A.纖維斷裂B.基體開裂C.界面脫粘D.整體脆斷答案：C5.以下哪種增強(qiáng)體屬于納米級增強(qiáng)體？（）A.玻璃纖維（直徑10μm）B.碳納米管（直徑10nm）C.碳化硅顆粒（粒徑50μm）D.芳綸纖維（直徑12μm）答案：B6.熱固性樹脂基復(fù)合材料的固化過程屬于（）A.物理相變B.化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)C.分子鏈重排D.溶劑揮發(fā)答案：B7.層合復(fù)合材料中，層間剪切強(qiáng)度主要取決于（）A.纖維的拉伸強(qiáng)度B.基體的斷裂韌性C.層間界面的結(jié)合強(qiáng)度D.纖維的體積分?jǐn)?shù)答案：C8.顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)化效果主要取決于（）A.顆粒的顏色B.顆粒的尺寸和分布均勻性C.顆粒的表面粗糙度D.顆粒的密度答案：B9.碳/碳復(fù)合材料的主要缺點(diǎn)是（）A.密度過大（>2.0g/cm3）B.高溫下易氧化C.斷裂韌性不足D.加工成本過低答案：B10.生物基復(fù)合材料的核心優(yōu)勢是（）A.強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)復(fù)合材料B.可完全生物降解或再生C.耐高溫性能突出D.制備工藝無需能源消耗答案：B二、填空題（每空1分，共20分）1.工程復(fù)合材料的基本組成包括______相和______相，其中前者主要起______作用，后者主要起______作用。答案：基體；增強(qiáng)；支撐與傳遞載荷；承載2.碳纖維按原料可分為______基、______基和______基三大類，其中______基碳纖維綜合性能最優(yōu)，應(yīng)用最廣。答案：聚丙烯腈（PAN）；瀝青；粘膠；聚丙烯腈（PAN）3.界面結(jié)合的主要類型包括______結(jié)合（機(jī)械咬合）、______結(jié)合（化學(xué)鍵）和______結(jié)合（范德華力）。答案：機(jī)械；化學(xué)；物理4.金屬基復(fù)合材料常用的基體材料有______、______和______（任寫三種），增強(qiáng)體多為______或______（如SiC、Al?O?）。答案：鋁；鎂；鈦；顆粒；晶須5.層合復(fù)合材料的主要失效模式包括______、______和______，其中______是層合結(jié)構(gòu)特有的失效形式。答案：基體開裂；界面脫粘；纖維斷裂；分層6.納米復(fù)合材料中，納米增強(qiáng)體的添加量通常低于______（體積分?jǐn)?shù)），其強(qiáng)化機(jī)制主要包括______強(qiáng)化和______強(qiáng)化。答案：10%；細(xì)晶；界面7.熱塑性樹脂基復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是______和______，缺點(diǎn)是______和______。答案：可回收性；成型效率高；耐高溫性差；界面結(jié)合弱三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述復(fù)合材料“可設(shè)計(jì)性”的具體體現(xiàn)。答案：復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性體現(xiàn)在三個層面：（1）組分設(shè)計(jì)：通過選擇不同基體（樹脂/金屬/陶瓷）和增強(qiáng)體（纖維/顆粒/晶須）的組合，滿足特定性能需求（如耐高溫選陶瓷基，輕量化選樹脂基）；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：通過調(diào)整增強(qiáng)體的排布方式（單向/二維編織/三維織物）、體積分?jǐn)?shù)（通常30%-70%）和層合順序（0°/90°/±45°鋪層），調(diào)控材料的各向異性（如單向板縱向強(qiáng)度高，橫向弱；對稱鋪層可降低翹曲）；（3）界面設(shè)計(jì)：通過表面處理（如纖維上漿、偶聯(lián)劑改性）控制界面結(jié)合強(qiáng)度，平衡強(qiáng)度與韌性（強(qiáng)界面提高載荷傳遞效率，弱界面可通過脫粘耗散能量增韌）。2.比較玻璃纖維與碳纖維作為增強(qiáng)體的性能差異及適用場景。答案：玻璃纖維（GF）與碳纖維（CF）的差異：（1）力學(xué)性能：CF的強(qiáng)度（3-7GPa）和模量（200-700GPa）遠(yuǎn)高于GF（強(qiáng)度1-3GPa，模量70-80GPa），但GF的斷裂延伸率（2%-4%）高于CF（約1%），韌性更好；（2）物理性能：CF密度（1.7-2.0g/cm3）低于GF（2.5-2.7g/cm3），導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)異（GF為絕緣體）；（3）環(huán)境適應(yīng)性：GF耐化學(xué)腐蝕（除氫氟酸），但耐高溫性差（長期使用<200℃）；CF高溫穩(wěn)定性好（惰性氣氛下>2000℃），但易氧化（空氣中>400℃開始氧化）。適用場景：GF用于低成本、耐腐蝕性要求高的場合（如風(fēng)電葉片、化工管道）；CF用于輕量化、高強(qiáng)度、導(dǎo)電或高溫環(huán)境（如航空結(jié)構(gòu)件、衛(wèi)星支架、賽車部件）。3.說明界面在復(fù)合材料中的“雙刃劍”作用。答案：界面是基體與增強(qiáng)體之間的過渡區(qū)域，其作用具有雙重性：（1）積極作用：①載荷傳遞：通過界面剪切應(yīng)力將基體承受的載荷傳遞給增強(qiáng)體（尤其在纖維復(fù)合材料中，纖維承擔(dān)90%以上載荷）；②應(yīng)力分散：界面可緩解局部應(yīng)力集中（如基體裂紋擴(kuò)展至界面時，通過脫粘或偏轉(zhuǎn)消耗能量）；③保護(hù)增強(qiáng)體：界面層可隔離基體對增強(qiáng)體的化學(xué)侵蝕（如金屬基復(fù)合材料中，涂層界面防止鋁基體與碳纖維反應(yīng)提供脆性Al?C?）。（2）消極作用：若界面結(jié)合過強(qiáng)（如化學(xué)結(jié)合過牢），裂紋易直接穿過界面擴(kuò)展，導(dǎo)致材料脆斷；若結(jié)合過弱（如機(jī)械結(jié)合為主），界面易脫粘，無法有效傳遞載荷，降低整體強(qiáng)度。因此，需通過界面調(diào)控（如纖維表面處理、添加偶聯(lián)劑）使界面結(jié)合強(qiáng)度處于“適度”范圍，平衡強(qiáng)度與韌性。4.分析顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中顆粒尺寸對性能的影響規(guī)律。答案：顆粒尺寸對顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料性能的影響呈“火山型”曲線：（1）粗顆粒（>10μm）：增強(qiáng)效果有限，因顆粒與基體的界面面積小，載荷傳遞效率低；且粗顆粒易成為應(yīng)力集中源，導(dǎo)致基體提前開裂（如鑄鐵中的石墨顆粒粗大時，材料脆性增加）。（2）細(xì)顆粒（1-10μm）：界面面積增大，載荷傳遞效率提高；同時顆?？勺璧K位錯運(yùn)動（金屬基）或分子鏈滑移（樹脂基），顯著提高強(qiáng)度和模量（如Al?O?顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，顆粒尺寸5μm時，強(qiáng)度較純鋁提高30%）。（3）納米顆粒（<1μm）：界面面積極大（比表面積100m2/g以上），界面效應(yīng)主導(dǎo)，可產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化（金屬基中抑制晶粒長大）和界面增韌（樹脂基中通過納米顆粒與基體的強(qiáng)相互作用吸收能量）；但納米顆粒易團(tuán)聚，若分散不均，反而形成缺陷，降低性能（如碳納米管增強(qiáng)聚合物時，團(tuán)聚體成為裂紋源）。5.簡述熱壓罐成型工藝的原理及在航空復(fù)合材料中的應(yīng)用優(yōu)勢。答案：熱壓罐成型是將預(yù)浸料按設(shè)計(jì)鋪層后密封于真空袋中，置于熱壓罐內(nèi)，通過同時施加高溫（120-180℃）和高壓（0.5-1.0MPa）使樹脂固化、纖維與基體緊密結(jié)合的工藝。其優(yōu)勢：（1）壓力均勻：罐內(nèi)氣體壓力可均勻作用于工件表面，避免局部缺陷（如孔隙率<1%，遠(yuǎn)低于模壓成型的2%-5%）；（2）溫度可控：通過程序升溫確保樹脂按設(shè)定固化曲線反應(yīng)（如環(huán)氧體系需經(jīng)歷凝膠-固化-后處理階段），避免過固化或欠固化；（3）適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)：可成型大尺寸、曲面構(gòu)件（如飛機(jī)機(jī)翼蒙皮、機(jī)身段），尺寸精度高（厚度偏差<0.1mm）；（4）性能穩(wěn)定：纖維體積分?jǐn)?shù)可控（55%-65%），力學(xué)性能離散性?。ɡ鞆?qiáng)度變異系數(shù)<5%），滿足航空件的高可靠性要求（如波音787機(jī)身約50%結(jié)構(gòu)采用熱壓罐成型的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料）。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中，玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)為60%，環(huán)氧樹脂體積分?jǐn)?shù)為40%。已知玻璃纖維的彈性模量為72GPa，環(huán)氧樹脂的彈性模量為3GPa，泊松比分別為0.22和0.35。計(jì)算該復(fù)合材料沿纖維方向的彈性模量（縱向模量）和垂直纖維方向的彈性模量（橫向模量）。（橫向模量采用混合法則倒數(shù)形式：1/E?=Vf/Ef+Vm/Em）答案：縱向模量（E?）采用并聯(lián)混合法則：E?=Vf×Ef+Vm×Em=0.6×72+0.4×3=43.2+1.2=44.4GPa橫向模量（E?）采用串聯(lián)混合法則（倒數(shù)形式）：1/E?=Vf/Ef+Vm/Em=0.6/72+0.4/3=0.00833+0.1333=0.1416E?=1/0.1416≈7.06GPa2.某碳纖維/鋁基復(fù)合材料中，碳纖維的密度為1.8g/cm3，體積分?jǐn)?shù)為40%；鋁基體的密度為2.7g/cm3，體積分?jǐn)?shù)為60%。若復(fù)合材料中存在2%的孔隙率（體積分?jǐn)?shù)），計(jì)算該復(fù)合材料的實(shí)際密度。答案：無孔隙時的理論密度（ρ?）：ρ?=Vf×ρf+Vm×ρm=0.4×1.8+0.6×2.7=0.72+1.62=2.34g/cm3考慮孔隙率（P=2%），實(shí)際密度（ρ）：ρ=ρ?×(1-P)=2.34×(1-0.02)=2.34×0.98=2.2932g/cm3≈2.29g/cm3五、論述題（20分）論述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展及未來挑戰(zhàn)。答案：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRC）已成為航空航天領(lǐng)域的核心材料，其應(yīng)用進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下方面：（1）結(jié)構(gòu)輕量化：碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料（CFRP）的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）是鋼的5倍、鋁的3倍，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)（如空客A350機(jī)身53%為CFRP，波音787達(dá)50%），較鋁合金減重20%-30%，顯著降低燃油消耗（如787每座位百公里油耗2.1L，比767低20%）。（2）功能一體化：通過設(shè)計(jì)多尺度增強(qiáng)體（如碳纖維+碳納米管），可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-導(dǎo)電-防熱一體化（如衛(wèi)星太陽帆板支架，既承力又導(dǎo)電，避免額外鋪設(shè)導(dǎo)線）；陶瓷基復(fù)合材料（如C/SiC）的耐高溫性（>1600℃）使其成為航空發(fā)動機(jī)熱端部件（渦輪葉片、燃燒室）的關(guān)鍵材料（GE的LEAP發(fā)動機(jī)采用C/SiC渦輪罩，工作溫度比鎳基合金高300℃）。（3）工藝創(chuàng)新：自動鋪絲（AFP）、纖維纏繞（FW）等自動化工藝的普及，使復(fù)雜曲面構(gòu)件（如火箭整流罩、直升機(jī)旋翼）的成型效率提升50%以上，成本降低30%（如空客A320neo的機(jī)翼后緣采用自動鋪帶成型，單架次生產(chǎn)時間從7天縮短至2天）。未來挑戰(zhàn)主要包括：（1）高溫性能極限：現(xiàn)有樹脂基復(fù)合材料長期使用溫度<300℃，無法滿足高超音速飛行器（如馬赫數(shù)5以上）的熱防護(hù)需求（表面溫度>1000℃），需開發(fā)耐超高溫的陶瓷基（如ZrC/SiC）或碳基（C/C-SiC）復(fù)合材料，并解決其氧化防護(hù)問題（如涂層失效后材料快速燒蝕）。（2）回收與可持續(xù)性：航空復(fù)合材料報(bào)廢量逐年增加（預(yù)計(jì)2030年全球年報(bào)廢量達(dá)12萬噸），但現(xiàn)有熱固性樹脂基復(fù)合材料難以回收（傳統(tǒng)方法為焚燒或填埋），需發(fā)展熱塑性基復(fù)合材料（可熔融再成型）或生物基樹脂（如植物源環(huán)氧樹脂），同時建立高效回收體系（如超臨界流體