2025年《復(fù)合材料學(xué)》期末考試試題及答案解析1.單項(xiàng)選擇（每題1分，共15分）1.1在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維與基體界面剪切強(qiáng)度τ_i的常用微觀測(cè)試方法是A.納米壓痕B.微滴脫粘C.雙懸臂梁D.三點(diǎn)彎曲答案：B1.2對(duì)于單向?qū)影澹v向彈性模量E_1的混合律公式為A.E_1=E_fV_f+E_mV_mB.1/E_1=V_f/E_f+V_m/E_mC.E_1=E_fE_m/(V_fE_m+V_mE_f)D.E_1=√(E_fE_m)答案：A1.3下列哪種缺陷對(duì)纖維纏繞壓力容器爆破強(qiáng)度影響最大A.纖維錯(cuò)位B.基體微裂紋C.界面脫粘D.孔隙率>2%答案：D1.4環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)屬于A.自由基聚合B.縮合聚合C.逐步加成聚合D.陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合答案：C1.5層合板[0/45/?45/90]_2S的“S”表示A.對(duì)稱鋪層B.反對(duì)稱鋪層C.均衡鋪層D.準(zhǔn)各向同性答案：A1.6玻璃纖維表面常用硅烷偶聯(lián)劑，其水解后生成的硅醇基團(tuán)與玻璃表面何種基團(tuán)縮合A.–OHB.–COOHC.–NH_2D.–Cl答案：A1.7采用真空輔助樹(shù)脂灌注(VARI)工藝時(shí)，滲透率K的單位是A.m2B.m/sC.m3/(Pa·s)D.m2/s答案：A1.8碳纖維/環(huán)氧層板在濕熱環(huán)境下吸濕平衡后，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g通常A.升高10–15℃B.降低20–40℃C.不變D.先升后降答案：B1.9下列哪種增韌機(jī)制對(duì)熱塑性基體復(fù)合材料最有效A.纖維橋聯(lián)B.裂紋偏轉(zhuǎn)C.剪切帶增韌D.相區(qū)銀紋化答案：C1.10采用HalpinTsai方程預(yù)測(cè)橫向模量E_2時(shí)，形狀參數(shù)ξ對(duì)圓形纖維通常取A.0B.1C.2D.4答案：C1.11層間斷裂韌性G_IC測(cè)試時(shí)，雙懸臂梁(DCB)試樣的預(yù)制裂紋長(zhǎng)度應(yīng)滿足A.a_0=0.3WB.a_0=0.5WC.a_0=0.7WD.a_0=W答案：B1.12鋁碳纖維層板(FML)中，纖維體積分?jǐn)?shù)V_f一般控制在A.20%B.35%C.50%D.65%答案：C1.13下列哪種無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)分層缺陷最敏感A.超聲C掃描B.渦流C.射線D.磁粉答案：A1.14熱壓罐成型中，固化壓力主要目的是A.提高纖維強(qiáng)度B.抑制固化放熱C.排除孔隙D.加速凝膠答案：C1.15采用TsaiWu張量準(zhǔn)則時(shí)，相互作用項(xiàng)F_12的符號(hào)A.恒正B.恒負(fù)C.可正可負(fù)D.必為零答案：C2.多項(xiàng)選擇（每題2分，共10分；多選少選均不得分）2.1下列因素會(huì)顯著降低層合板壓縮強(qiáng)度的是A.纖維微屈曲B.界面剪切強(qiáng)度過(guò)高C.孔隙D.濕熱E.纖維體積分?jǐn)?shù)過(guò)低答案：ACDE2.2屬于天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)的是A.低密度B.可再生C.高比模D.耐濕熱E.易回收答案：ABCE2.3下列工藝參數(shù)會(huì)直接影響RTM充模時(shí)間的是A.樹(shù)脂粘度B.纖維滲透率C.注射壓力D.模具溫度E.纖維拉伸模量答案：ABCD2.4層合板彎曲模量測(cè)試時(shí)，若跨厚比L/h過(guò)小會(huì)導(dǎo)致A.剪切變形顯著B(niǎo).實(shí)測(cè)模量偏低C.實(shí)測(cè)模量偏高D.破壞模式改變E.無(wú)影響答案：ABD2.5下列屬于熱固性復(fù)合材料回收技術(shù)的是A.溶劑分解B.熱解C.機(jī)械粉碎D.水熱法E.微波裂解答案：ABDE3.填空題（每空1分，共15分）3.1單向?qū)影蹇v向強(qiáng)度σ_1^t的混合律表達(dá)式為_(kāi)_______。答案：σ_1^t=σ_f^tV_f+σ_m^(1?V_f)3.2層合板經(jīng)典層合理論(CLT)的基本假設(shè)包括________、________、________。答案：各向同性線彈性基體；直法線假設(shè)；層間無(wú)滑移3.3界面剪切強(qiáng)度τ_i與纖維埋入長(zhǎng)度L的關(guān)系滿足________定律。答案：KellyTyson3.4玻璃纖維的E玻璃名義成分為SiO_2________、Al_2O_3________、CaO________(質(zhì)量%)。答案：54；14；173.5熱壓罐固化過(guò)程中，通常采用________傳感器監(jiān)測(cè)樹(shù)脂固化度。答案：介電3.6層間剪切強(qiáng)度(ILSS)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTM________。答案：D23443.7碳纖維表面電化學(xué)氧化處理的目的是增加________基團(tuán)。答案：含氧活性3.8真空袋壓成型中，真空度一般不低于________kPa。答案：?953.9層合板自由邊效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因是________不為零。答案：層間正應(yīng)力σ_z3.10復(fù)合材料疲勞壽命SN曲線常用________函數(shù)擬合。答案：Basquin3.11鋁蜂窩芯材的節(jié)點(diǎn)膠強(qiáng)度指標(biāo)為_(kāi)_______。答案：節(jié)點(diǎn)剝離強(qiáng)度3.12熱塑性復(fù)合材料焊接常用的加熱方式為_(kāi)_______、________。答案：電阻焊；感應(yīng)焊3.13采用Darcy定律計(jì)算充模時(shí)間t的積分形式為t=________。答案：∫_0^L〖μ/(K·P)〗·xdx3.14層合板彎曲剛度D_11的單位是________。答案：N·m3.15復(fù)合材料濕熱擴(kuò)散系數(shù)D的單位是________。答案：m2/s4.簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）4.1簡(jiǎn)述纖維表面等離子體處理對(duì)界面粘結(jié)的作用機(jī)理。答案：等離子體轟擊使纖維表面產(chǎn)生自由基與極性基團(tuán)(–OH,–COOH)，提高表面能；同時(shí)微刻蝕增加表面粗糙度，機(jī)械錨定作用增強(qiáng)；兩方面協(xié)同提高界面剪切強(qiáng)度10–40%。4.2寫(xiě)出層合板面內(nèi)柔度矩陣[S]與工程彈性常數(shù)的關(guān)系式，并說(shuō)明各元素物理意義。答案：S_11=1/E_1,S_22=1/E_2,S_66=1/G_12,S_12=?ν_21/E_2=?ν_12/E_1,S_16=S_26=0E_1、E_2為縱向、橫向模量；G_12為面內(nèi)剪切模量；ν_12為主泊松比。4.3解釋“固化度”定義，并給出DSC測(cè)試固化度α的計(jì)算公式。答案：固化度α為已反應(yīng)熱與總反應(yīng)熱之比：α=(H_0?H_R)/H_0，其中H_0為未固化樣品總放熱，H_R為剩余放熱。4.4列舉三種層間增韌方法并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。答案：1.層間插膜：增韌顯著(G_IC提高2–3倍)，增重<5%，工藝兼容好，成本較高。2.納米粒子增韌：添加1–3%納米橡膠，G_IC提高50%，粘度升高，易團(tuán)聚。3.三維機(jī)織：層間剪切強(qiáng)度提高40%，但面內(nèi)模量下降10%，工藝復(fù)雜。4.5說(shuō)明真空袋成型中“橋接”缺陷產(chǎn)生原因及解決措施。答案：原因：真空袋膜在拐角處無(wú)法貼合，形成空腔，固化壓力無(wú)法傳遞。措施：加設(shè)半剛性導(dǎo)氣條、局部抽溝、降低袋膜厚度、預(yù)熱軟化妝膜。5.計(jì)算題（共30分）5.1單向碳纖維/環(huán)氧層板，V_f=60%，E_f=230GPa，E_m=3.5GPa，ν_f=0.25，ν_m=0.35。求：(1)縱向模量E_1；(2)主泊松比ν_12；(3)橫向模量E_2（HalpinTsai，ξ=2）。答案：(1)E_1=0.6×230+0.4×3.5=139.4GPa(2)ν_12=0.6×0.25+0.4×0.35=0.29(3)η=(230/3.5?1)/(230/3.5+2)=0.970E_2=3.5×(1+2×0.970×0.6)/(1?0.970×0.6)=18.7GPa5.2層合板[0/90]_4S總厚t=2mm，單層高0.125mm，E_1=140GPa，E_2=10GPa，G_12=5GPa，ν_12=0.3。求：(1)面內(nèi)等效模量E_x；(2)等效泊松比ν_xy。答案：(1)對(duì)稱均衡，0°與90°各占50%，E_x≈(E_1+E_2)/2=75GPa(2)ν_xy≈(ν_12+ν_21)/2，ν_21=ν_12E_2/E_1=0.0214ν_xy=(0.3+0.0214)/2=0.1615.3圓形纏繞壓力容器，內(nèi)徑D=400mm，設(shè)計(jì)爆破壓力p_b=15MPa，纖維環(huán)向強(qiáng)度σ_f^t=3500MPa，安全系數(shù)n=2.5，V_f=65%。求：(1)按網(wǎng)格理論計(jì)算所需壁厚t；(2)若采用T70012k碳纖維，線密度0.8g/m，纖維密度1.78g/cm3，求環(huán)向纏繞層單層纖維用量(kg)。答案：(1)環(huán)向應(yīng)力σ_h=p_bD/(2t)≤σ_f^tV_f/nt=(15×0.4×2.5)/(2×3500×0.65)=3.30mm(2)單層面積A=π(D+t)×t=π×0.4033×0.0033=4.18×10?3m2纖維體積V_f_layer=A×V_f=4.18×10?3×0.65=2.72×10?3m3質(zhì)量m=V_f_layer×1.78×1000=4.84kg5.4層合板四點(diǎn)彎曲試樣寬b=15mm，厚h=2mm，跨距L=80mm，載荷P=500N時(shí)中點(diǎn)撓度δ=1.2mm。求：(1)彎曲模量E_f；(2)若破壞載荷P_max=1.2kN，求彎曲強(qiáng)度σ_f。答案：(1)E_f=(PL3)/(4bh3δ)=(500×0.083)/(4×0.015×0.0023×0.0012)=44.4GPa(2)σ_f=(3P_maxL)/(2bh2)=(3×1200×0.08)/(2×0.015×0.0022)=480MPa5.5蜂窩夾層梁，面板厚t_f=0.5mm，鋁蜂窩芯高h(yuǎn)_c=20mm，芯材剪切模量G_c=120MPa，面板E_f=70GPa，梁寬b=30mm，三點(diǎn)彎曲跨距L=300mm。求：(1)芯材剪切剛度與面板彎曲剛度之比；(2)當(dāng)集中載荷P=200N時(shí)，芯材最大剪應(yīng)力τ_c。答案：(1)D_f=E_fbt_f(h_c+t_f)2/2=70×10?×0.03×0.0005×0.02052/2=221kN·m2D_c=G_cbh_c3/12=120×10?×0.03×0.023/12=2.4N·m2比值D_c/D_f=1.09×10??(2)τ_c=P/(2bh_c)=200/(2×0.03×0.02)=0.167MPa6.綜合分析題（共30分）6.1某航空主承力翼盒采用T800/環(huán)氧單向預(yù)浸料，設(shè)計(jì)載荷下最大應(yīng)變?chǔ)臺(tái)x=4000με。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境(70℃/85%RH，平衡吸濕1.2%)后，壓縮強(qiáng)度下降25%。任務(wù)：(1)建立濕熱機(jī)械耦合強(qiáng)度退化模型；(2)提出材料與工藝改進(jìn)方案并給出量化預(yù)期。答案：(1)采用退化因子R=1?k·C^m，C為吸濕濃度，k=0.22，m=0.55；則R=0.75，與實(shí)驗(yàn)吻合。(2)改進(jìn)：①樹(shù)脂改為高韌環(huán)氧BMI混合體系，T_g提高30℃；②界面采用等離子體+環(huán)氧基硅烷雙重處理，ILSS提高18%；③層間插0.1mm熱塑膜，G_IC提高2倍；④固化后采用180℃后處理2h，降低殘余應(yīng)力15%。預(yù)期濕熱壓縮強(qiáng)度恢復(fù)至原值95%，疲勞壽命提高1.8倍。6.2風(fēng)電葉片主梁帽采用碳?；祀s單向帶，目標(biāo)在保證軸向剛度≥110GPa前提下降低成本20%。已知碳纖E_c=230GPa，單價(jià)28$/kg；玻纖E_g=85GPa，單價(jià)2.2$/kg；樹(shù)脂相同。任務(wù)：(1)建立剛度成本雙目標(biāo)優(yōu)化模型；(2)求最優(yōu)碳/玻體積比；(3)給出工藝實(shí)施要點(diǎn)。答案：(1)目標(biāo)函數(shù)：minCost=28V_c+2.2V_g，約束E_x=230V_c+85V_g≥110GPa，V_c+V_g=V_f=60%。(2)解得V_c=0.194，V_g=0.406；即碳纖占19.4%，玻纖占40.6%，成本降低21.3%，E_x=110.1GPa。(3)工藝：采用分紗器在線鋪放，碳纖居中層，玻纖兩側(cè)，保證張力一致；固化制度與純碳相同，需驗(yàn)證層間剪切強(qiáng)度下降<5%，通過(guò)增加0.5%納米橡膠解決。6.3某衛(wèi)星支架采用M40J/氰酸酯層合板，在軌運(yùn)行溫度?150℃~+120℃，需承受火箭發(fā)射段隨機(jī)振動(dòng)RMS加速度12g，頻率20–2000Hz，持續(xù)時(shí)間2min。任務(wù)：(1)建立熱振耦合疲勞壽命預(yù)測(cè)流程；(2)給出關(guān)鍵測(cè)試與仿真參數(shù)；(3)提出減重10%且一階頻率>120Hz的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。答案：(1)流程：①熱循環(huán)試驗(yàn)(?150℃?120℃，100次)測(cè)得模量退化<3%；②采用PSD譜輸入，Miner累積損傷，Basquin指數(shù)m=9.2；③熱應(yīng)力與振動(dòng)應(yīng)力疊加，最大主應(yīng)力σ_max=180MPa，壽命N>5×10?次。(2)測(cè)試：DMA測(cè)低溫模量升高12%，層間剪切強(qiáng)度下降8%；仿真：模態(tài)分析得初始一階頻率108Hz，諧響應(yīng)峰值應(yīng)力165MPa。(3)優(yōu)化：將[0/45/?45/90]_3S改為[0/45/?45/0/90]_2S，鋪層減2層，厚度降11%；加設(shè)2mm高矩形筋條，提高彎曲剛度；一階頻率升至125Hz，質(zhì)量減10.2%，最大應(yīng)力降至158MPa，安全系數(shù)>2。7.英文文獻(xiàn)翻譯與解讀（10分）將以下摘要翻譯成中文并指出實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵結(jié)論：“Interfacialshearstrengthofsizedcarbonfiber/epoxywasevaluatedbymicrodroplettestundercryogeniccycling.After200thermalshocksbetween?196°Cand25°C,theinterfacialshearstrengthdecreasedby18%,whichwas