聚合物基復合材料考試題庫及答案解析一、單項選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個正確答案，請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.下列哪一組材料最適合作為環(huán)氧樹脂的常溫固化劑？A.芳香二胺/酸酐B.脂肪族多元胺/聚酰胺C.咪唑/雙氰胺D.酚醛樹脂/脲醛樹脂答案：B解析：脂肪族多元胺與聚酰胺在常溫下即可與環(huán)氧基團發(fā)生開環(huán)反應，實現(xiàn)室溫固化；芳香二胺需加熱，酸酐需高溫，咪唑/雙氰胺為潛伏型固化劑，酚醛、脲醛不用于環(huán)氧固化。2.纖維體積分數(shù)φ_f=55%的單向碳纖維/環(huán)氧層板，實測縱向彈性模量E_L=145GPa。已知E_f=230GPa，E_m=3.2GPa，則該實測值與混合律預測值的相對誤差為A.1.8%B.3.4%C.5.1%D.7.9%答案：A解析：E_L^Rule=φ_fE_f+(1?φ_f)E_m=0.55×230+0.45×3.2=147.9GPa；相對誤差=(147.9?145)/147.9×100%=1.8%。3.在真空輔助樹脂灌注（VARI）工藝中，導致“干斑”缺陷的最直接原因是A.纖維表面未上漿B.樹脂凝膠時間過長C.真空袋破裂導致真空度驟降D.導流網(wǎng)目數(shù)過大答案：C解析：真空度驟降使樹脂流動前沿停滯，纖維未被充分浸潤，形成干斑；其余選項會降低浸潤效率，但非最直接原因。4.下列關于界面相（interphase）的描述，錯誤的是A.界面相厚度通常為數(shù)十至數(shù)百納米B.界面相模量一定高于基體模量C.硅烷偶聯(lián)劑可參與界面相化學鍵合D.界面相微觀結構可用納米壓痕表征答案：B解析：柔性界面層設計可降低殘余應力，此時界面相模量可低于基體；其余均正確。5.對于T300/環(huán)氧預浸料，若采用熱壓罐固化，推薦升溫段施加全壓的時機為A.室溫即施加B.樹脂最低黏度溫度前10°CC.凝膠點溫度后D.玻璃化轉變溫度以上答案：B解析：在最低黏度前施加全壓可排出氣泡并壓實纖維；過早施壓樹脂被擠出，過晚則氣泡無法排除。6.采用雙懸臂梁（DCB）試驗測得單向層板臨界能量釋放率G_IC，若試樣厚度h=3mm，初始裂紋長度a=35mm，載荷–位移曲線線性段最大載荷P_max=45N，對應位移δ=2.1mm，則修正梁理論（MBT）公式計算G_IC為A.0.38kJ/m2B.0.52kJ/m2C.0.65kJ/m2D.0.78kJ/m2答案：C解析：MBT公式G_IC=(3Pδ)/(2ba)，其中b=試樣寬度取20mm（標準），代入得G_IC=(3×45×2.1)/(2×20×35)=0.2025N·mm/mm2=0.65kJ/m2。7.濕熱環(huán)境對碳纖維/環(huán)氧層板橫向強度影響顯著，其主要機理是A.水分子引起碳纖維氧化B.基體塑化及界面水解C.纖維–基體熱膨脹失配D.樹脂交聯(lián)密度增加答案：B解析：水分子破壞環(huán)氧交聯(lián)網(wǎng)絡并塑化基體，同時削弱界面氫鍵；碳纖維本身耐水氧化。8.在層合板經(jīng)典層合理論（CLT）中，對稱鋪層[0/45/90/?45]_S的B矩陣A.為零矩陣B.對角元素非零C.非對角元素非零D.與材料主軸方向無關答案：A解析：對稱鋪層幾何中面與材料中面重合，耦合剛度B_ij≡0。9.采用Halpin–Tsai方程估算短玻纖/尼龍6復合材料的橫向模量E_22，若纖維長徑比l/d=20，φ_f=30%，E_f=72GPa，E_m=2.5GPa，則E_22最接近A.5.8GPaB.7.4GPaC.9.1GPaD.11.2GPa答案：B解析：取ξ=2(l/d)=40，η=(E_f/E_m?1)/(E_f/E_m+ξ)=0.918，E_22=E_m(1+ξηφ_f)/(1?ηφ_f)=2.5×(1+40×0.918×0.3)/(1?0.918×0.3)=7.4GPa。10.下列無損檢測方法中，對分層缺陷最敏感且可定量的是A.超聲C掃描B.目視檢查C.敲擊法D.射線照相答案：A解析：超聲C掃描可給出分層面積、深度，分辨率可達0.5mm；射線對樹脂rich區(qū)對比度低，敲擊法僅定性。二、多項選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個或兩個以上正確答案，多選、少選、錯選均不得分）11.提高芳綸纖維/環(huán)氧層板層間斷裂韌性的有效途徑包括A.在層間插入熱塑性尼龍66微粒B.采用環(huán)氧–酚醛共混基體C.等離子體處理芳綸表面D.在層間引入碳納米管紙答案：A、C、D解析：熱塑性顆粒、碳納米管紙可引發(fā)裂紋橋接；等離子體處理提高界面粘接；酚醛共混使基體脆性增加，反而降低韌性。12.關于聚合物基復合材料疲勞壽命預測模型，下列說法正確的是A.剩余剛度模型以彈性模量退化作為失效判據(jù)B.剩余強度模型認為疲勞壽命對應強度降至外加載荷C.phenomenologicalS–N曲線適用于任意鋪層比例D.累積損傷模型需引入載荷順序效應因子答案：A、B、D解析：S–N曲線需通過試驗重新標定不同鋪層；其余均正確。13.在拉擠成型工藝中，可能導致產(chǎn)品表面“起毛”的原因有A.纖維張力不足B.模具入口溫度過低C.脫模劑過量D.牽引速度大于樹脂凝膠速度答案：A、B、D解析：張力不足使纖維束松散；入口溫度低導致樹脂未能及時浸潤；牽引過快樹脂未凝膠；脫模劑過量會降低粘接力但不起毛。14.下列參數(shù)可用于評價纖維–基體界面剪切強度的是A.微脫粘測試（microdroplet）B.單纖維拔出測試C.短梁剪切強度D.Iosipescu剪切試驗答案：A、B解析：微脫粘與單纖維拔出直接給出界面剪切強度；短梁、Iosipescu為宏觀層間剪切，含基體貢獻。15.對于熱塑性預浸帶激光輔助自動鋪放（AFP）工藝，需重點控制的工藝窗口參數(shù)包括A.激光功率密度B.壓輥溫度C.鋪放速度D.環(huán)境相對濕度答案：A、B、C解析：濕度對熱塑性界面愈合影響極??；前三者直接決定熔融深度與冷卻速率。三、填空題（每空2分，共20分）16.在層合板彎曲強度測試中，若跨厚比L/h=32，則試樣破壞模式以________破壞為主，可避免________破壞。答案：拉伸；剪切解析：大跨厚比使最大正應力先于剪應力達到極限。17.當環(huán)氧體系采用咪唑類潛伏固化劑時，其固化反應遵循________機理，DSC曲線呈現(xiàn)________峰。答案：陰離子開環(huán)；單放熱解析：咪唑先與環(huán)氧基形成烷氧負離子，再鏈增長，單一放熱峰。18.采用Kelly–Tyson模型估算短纖維復合材料強度時，需已知纖維________長度分布及纖維________強度。答案：臨界；拉伸解析：模型需判斷纖維長度是否大于臨界傳遞長度l_c，并取纖維實測拉伸強度。19.在真空袋成型中，螺旋管導流器的主要作用是________，其管槽深度一般控制在________mm。答案：均勻分布樹脂；1–2解析：槽深過大導致樹脂局部沖刷纖維。20.碳/碳復合材料與碳/環(huán)氧相比，其優(yōu)勢在于________性能，但缺點是________成本高。答案：高溫力學；制備（或致密化）四、簡答題（每題8分，共24分）21.簡述熱塑性復合材料焊接（resistancewelding）過程中“焦耳熱”產(chǎn)生與界面愈合的耦合機制，并指出影響接頭強度的關鍵工藝參數(shù)。答案：電流通過置于界面的不銹鋼網(wǎng)或碳纖維織物加熱元件，產(chǎn)生焦耳熱Q=I2Rt，使界面溫度迅速升至基體熔點以上；熔融聚合物鏈段擴散跨越界面，形成鏈纏結與再結晶。耦合機制為：溫度升高→熔融深度增加→鏈擴散系數(shù)按Arrhenius關系指數(shù)增大→愈合度提高。關鍵參數(shù)：1.加熱元件電阻率與網(wǎng)格尺寸，決定熱流密度分布；2.焊接壓力，保證緊密接觸并擠出氣泡；3.峰值溫度與保溫時間，需高于熔點20–30°C但低于降解溫度；4.冷卻速率，影響再結晶度與殘余應力；5.接頭設計搭接長度，避免端部應力集中。22.對比濕熱環(huán)境（70°C/85%RH，1000h）對環(huán)氧與雙馬（BMI）基復合材料層間剪切強度的影響差異，并從化學結構角度解釋原因。答案：環(huán)氧吸濕率約1.8–2.2%，水分子破壞氫鍵與醚鍵，引起塑化，層間剪切強度保持率約65–70%；BMI吸濕率僅0.6–0.8%，且主鏈含剛性酰亞胺環(huán)，水分子難以進入網(wǎng)絡，塑化效應弱，強度保持率>90%。化學結構上，BMI交聯(lián)點密度高，自由體積少；環(huán)氧–胺交聯(lián)點間距大，極性羥基易與水形成氫鍵，導致界面水解與基體微裂紋擴展。23.說明層合板“彈簧–質(zhì)量”模型在預測高速沖擊分層擴展時的基本假設，并指出其相較于Cohesive單元有限元法的優(yōu)勢與局限。答案：假設：1.層板簡化為各向異性彈簧系統(tǒng)，層間用非線性彈簧表示II型斷裂韌性；2.忽略面內(nèi)慣性，僅考慮層間剪切波傳播；3.分層前沿滿足能量釋放率準則G=G_IIC時擴展。優(yōu)勢：計算量小，可快速參數(shù)掃描；顯式表達分層長度與沖擊速度關系。局限：無法捕捉纖維斷裂、剪切沖塞等多模式耦合；彈簧參數(shù)需試驗標定，對三維復雜幾何適應性差。五、計算與分析題（共41分）24.（12分）已知T700/環(huán)氧單向預浸料性能：E_f=230GPa，V_f=60%，E_m=3.0GPa，ν_m=0.35，ν_f=0.20。（1）用混合律估算縱向彈性模量E_1與主泊松比ν_12；（2）若層板寬20mm、厚2mm，承受軸向拉力F=5kN，求纖維與基體各自承擔的載荷；（3）若纖維斷裂應變ε_f^=1.8%，基體斷裂應變ε_m^=4.5%，判斷誰先破壞，并給出極限拉伸強度σ_1u。答案：（1）E_1=0.6×230+0.4×3.0=139.2GPa；ν_12=0.6×0.20+0.4×0.35=0.26。（2）等應變假設：ε=F/(E_1A)=5000/(139.2×103×20×2)=0.000897；F_f=E_fεV_fA=230×103×0.000897×0.6×40×10??=4.96kN；F_m=F?F_f=0.04kN。（3）ε_f^=0.018<ε_m^=0.045，纖維先斷；σ_1u=E_1ε_f^=139.2×0.018=2.51GPa。25.（14分）某汽車傳動軸采用[±45/0/90]_2S碳纖維/環(huán)氧層合管，內(nèi)徑60mm，壁厚3mm，設計扭矩T=3.5kN·m。（1）用nettinganalysis估算±45°層所需纖維體積分數(shù)V_f，使剪切強度τ_xy≥120MPa，已知纖維縱向強度σ_f=3500MPa；（2）若實測層合管扭轉角φ=2.2°（長度L=500mm），求平均剪切模量G_xy；（3）校核是否滿足剛度要求（規(guī)定φ≤2.5°）。答案：（1）netting：τ_xy=σ_fV_fsinθcosθ，θ=45°，sinθcosθ=0.5；V_f≥120/(3500×0.5)=6.9%，實際V_f=60%，滿足。（2）薄壁管：J=π/32(D_o??D_i?)=π/32(66??60?)=1.18×10??m?；φ=TL/(JG_xy)→G_xy=TL/(Jφ)=3500×0.5/(1.18×10??×0.0384)=38.6GPa。（3）2.2°<2.5°，滿足。26.（15分）飛機機翼前緣遭受10mm直徑鋁丸、速度150m/s的沖擊，采用Dyneema?UD層合板（面密度ρ_s=2.4kg/m2，單層厚度t=0.13mm）防護。（1）用Lambert–Jonas模型估算穿透所需層數(shù)N，已知鋁丸密度ρ_p=2700kg/m3，經(jīng)驗常數(shù)k=2.1×10??s2/m2；（2）若實際試驗發(fā)現(xiàn)N_exp=22層，與模型差異18%，分析可能原因；（3）提出兩項工藝改進以降低N_exp。答案：（1）m_p=ρ_pπd3/6=0.00141kg；E_k=?m_pv2=15.9J；Lambert–Jonas：N=kE_k/(ρ_st)=2.1×10??×15.9/(2.4×0.00013)=10.7→取11層。（2）差異原因：模型未考慮UD層間剪切耦合、溫升導致纖維軟化、鋁丸變形消耗能量、邊界固定剛度。（3）改進：1.采用熱塑性膠膜共固化，提高層間韌性，減少剪切沖塞；2.在迎彈面加0.5mm陶瓷涂層，使彈體碎裂分散能量，降低所需層數(shù)。六、綜合設計題（20分）27.為2028年奧運賽艇槳葉設計一款“碳纖維/環(huán)氧–天然亞麻纖維/環(huán)氧”混雜層合板，要求：①槳葉長度700mm，最大寬度180mm，厚度漸變3→1.5mm；②在30J三點沖擊下無貫穿裂紋；③比剛度≥35GPa·m3/kg，比強度≥250MPa·m3/kg；④生物基材料體積占比≥40%。請給出：（1）鋪層序列與混雜策略（含界面設計）；（2）基體體系與固化制度；（3）預計性能計算（密度、彎曲模量、沖擊后壓縮強度）；（4）可回收性方案。