2025年大學(xué)復(fù)合材料與工程(復(fù)合材料加工操作)試題及答案1.單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.1在熱壓罐成型工藝中，決定樹(shù)脂固化度的關(guān)鍵參數(shù)是A.升溫速率B.保溫時(shí)間C.真空度D.纖維體積分?jǐn)?shù)答案：B1.2對(duì)碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料進(jìn)行鋪層時(shí)，最常用以消除氣泡的輔助材料是A.離型紙B.透氣氈C.均壓板D.密封膠帶答案：B1.3下列哪種缺陷最可能在RTM工藝注膠不足時(shí)產(chǎn)生A.富脂區(qū)B.干斑C.纖維屈曲D.層間剪切裂紋答案：B1.4對(duì)熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行熱壓成型時(shí)，必須控制的窗口參數(shù)是A.熔融溫度以上、熱分解溫度以下B.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下50℃C.熔融溫度以下、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上D.熱變形溫度以上、熔融溫度以下答案：A1.5在自動(dòng)鋪絲（AFP）過(guò)程中，壓緊輥的主要功能是A.加熱樹(shù)脂B.提供剪切力C.壓實(shí)與排氣D.冷卻定型答案：C1.6對(duì)環(huán)氧體系進(jìn)行DSC測(cè)試時(shí)，固化反應(yīng)放熱峰面積直接對(duì)應(yīng)A.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度B.固化度C.反應(yīng)焓D.凝膠時(shí)間答案：C1.7下列哪種非破壞性檢測(cè)方法對(duì)分層缺陷最敏感A.超聲C掃描B.射線照相C.渦流D.磁粉答案：A1.8在熱壓罐固化過(guò)程中，施加真空的主要目的不包括A.降低孔隙率B.促進(jìn)樹(shù)脂流動(dòng)C.提高纖維體積分?jǐn)?shù)D.抑制揮發(fā)分膨脹答案：C1.9對(duì)CF/PEEK層合板進(jìn)行熱焊接時(shí)，通常選用的界面加熱方式是A.電阻焊接B.感應(yīng)焊接C.超聲焊接D.激光焊接答案：A1.10采用真空袋成型時(shí)，若密封膠帶出現(xiàn)局部漏氣，最可能導(dǎo)致的缺陷是A.厚度超差B.富脂C.孔隙D.纖維錯(cuò)位答案：C2.多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）2.1下列哪些因素會(huì)顯著影響熱壓罐成型層合板的孔隙率A.樹(shù)脂初始揮發(fā)分含量B.升溫速率C.纖維表面處理劑D.真空保持時(shí)間E.固化壓力答案：ABDE2.2對(duì)CF/環(huán)氧層合板進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，為抑制毛刺與分層可采取A.金剛石涂層刀具B.高轉(zhuǎn)速小進(jìn)給C.工件背面加硬墊板D.冷卻液溫度0℃以下E.超聲輔助切削答案：ABCE2.3RTM工藝注膠口位置優(yōu)化需同時(shí)考慮A.流動(dòng)前緣平衡B.最小注射壓力C.纖維取向主方向D.排氣口位置E.模具溫度均勻性答案：ABDE2.4熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放（ATL）與熱固性預(yù)浸料自動(dòng)鋪絲（AFP）相比，其工藝窗口差異包括A.無(wú)需冷凍存儲(chǔ)B.加熱溫度更高C.無(wú)固化放熱D.可現(xiàn)場(chǎng)焊接修補(bǔ)E.鋪層速度通常更低答案：ABCD2.5對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱殘余應(yīng)力測(cè)試的常用方法有A.層合板曲率法B.鉆孔法C.中子衍射D.數(shù)字圖像相關(guān)E.動(dòng)態(tài)機(jī)械分析答案：ACD3.填空題（每空2分，共20分）3.1在熱壓罐固化規(guī)范中，常用“兩段式”加壓制度：第一段壓力為_(kāi)_______MPa，用于________；第二段壓力為_(kāi)_______MPa，用于________。答案：0.3～0.4；預(yù)壓實(shí)與排氣；0.6～0.7；充分壓實(shí)與抑制孔隙3.2對(duì)CF/環(huán)氧單向預(yù)浸料，典型纖維體積分?jǐn)?shù)為_(kāi)_______%，對(duì)應(yīng)樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為_(kāi)_______%。答案：58～60；32～353.3在RTM數(shù)值模擬中，Darcy定律表達(dá)為u=?(K/μ)?P，其中K的單位為_(kāi)_______，μ的單位為_(kāi)_______。答案：m2；Pa·s3.4熱塑性復(fù)合材料焊接接頭強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTM________規(guī)定了________形試樣的制備與測(cè)試方法。答案：D638；Ⅰ型拉伸3.5對(duì)熱固性層合板進(jìn)行后固化處理時(shí)，溫度通常比最高固化溫度高_(dá)_______℃，保溫時(shí)間________h，以進(jìn)一步提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。答案：10～20；2～44.簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）4.1簡(jiǎn)述熱壓罐成型中“真空—壓力”耦合制度的物理本質(zhì)，并說(shuō)明其對(duì)孔隙率控制的作用機(jī)制。答案：真空階段通過(guò)內(nèi)外壓差抽除揮發(fā)分與層間空氣，降低氣體分壓；加壓階段外部壓力高于樹(shù)脂飽和蒸氣壓，使殘留氣泡溶解或塌陷，同時(shí)促進(jìn)樹(shù)脂流動(dòng)填充纖維束內(nèi)部微孔隙。耦合制度保證氣泡在樹(shù)脂凝膠前被充分壓縮或溶解，最終孔隙率可降至<1%。4.2列舉自動(dòng)鋪絲（AFP）工藝中“絲束間隙”與“重疊”對(duì)層合板力學(xué)性能的影響，并給出在線檢測(cè)手段。答案：絲束間隙導(dǎo)致局部纖維缺失，拉伸與彎曲強(qiáng)度下降5%～10%，疲勞壽命降低20%；重疊造成局部增厚，引入富脂與二次彎曲，壓縮強(qiáng)度下降3%～8%。在線檢測(cè)采用激光間隙傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量間隙寬度，精度±0.1mm；同時(shí)用紅外熱像儀檢測(cè)重疊區(qū)熱斑，通過(guò)閉環(huán)控制壓緊力與絲束張力實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修正。4.3說(shuō)明熱塑性復(fù)合材料“原位固化”與熱固性“熱壓罐固化”在能量消耗與周期時(shí)間上的差異，并給出數(shù)據(jù)對(duì)比。答案：原位固化利用激光或熱氣體局部加熱，僅熔融界面，能耗約0.3kWh/kg；周期時(shí)間5～10min。熱壓罐固化需整體升溫至180℃，維持2h，能耗1.8～2.2kWh/kg，周期時(shí)間6～8h。原位固化節(jié)能約80%，周期縮短90%，但需精確控制局部溫度梯度（<5℃/s）以防熱降解。5.計(jì)算題（共31分）5.1某CF/環(huán)氧單向?qū)雍习宀捎肹0/45/90/?45]??對(duì)稱(chēng)鋪層，單層厚度0.125mm，纖維體積分?jǐn)?shù)V_f=60%，纖維彈性模量E_f=230GPa，樹(shù)脂模量E_m=3.5GPa。試計(jì)算：（1）0°方向等效彈性模量E?（混合律）；（2）層合板總厚度；（3）若固化后測(cè)得0°方向拉伸強(qiáng)度σ?=2100MPa，求樹(shù)脂分擔(dān)應(yīng)力σ_m。答案：（1）E?=E_fV_f+E_m(1?V_f)=230×0.6+3.5×0.4=138+1.4=139.4GPa（2）共16層，厚度=16×0.125=2.0mm（3）混合律應(yīng)力分配：σ_m=σ?×(E_m/E?)=2100×(3.5/139.4)=52.7MPa5.2RTM工藝中，矩形平板制件尺寸400mm×300mm×4mm，纖維體積分?jǐn)?shù)55%，滲透率K=2.5×10?1?m2，樹(shù)脂粘度μ=0.25Pa·s，注射口位于長(zhǎng)邊中心線一端，排氣口在對(duì)邊兩端。若要求充模時(shí)間≤300s，求最大允許注射壓力P_max（假設(shè)一維流動(dòng)，忽略邊緣效應(yīng)）。答案：采用一維Darcy流動(dòng)公式t=(μL2)/(2KP)，其中L=0.4m，t≤300s，則P≥(μL2)/(2Kt)=(0.25×0.42)/(2×2.5×10?1?×300)=0.04/(1.5×10??)=2.67×10?Pa=0.267MPa。故P_max=0.267MPa。5.3熱壓罐固化周期中，某環(huán)氧體系固化反應(yīng)遵循n級(jí)動(dòng)力學(xué)模型dα/dt=Aexp(?E_a/RT)(1?α)?，已知A=1.2×10?min?1，E_a=85kJ/mol，n=1.8，R=8.314J/(mol·K)。若升溫段以2℃/min從120℃升至180℃，求升溫結(jié)束時(shí)（180℃）的固化度α（采用數(shù)值積分，步長(zhǎng)ΔT=1℃，每步內(nèi)等溫近似）。答案：編寫(xiě)Euler積分：T_i=120+2Δt，Δt=30s，共60步。每步α_{i+1}=α_i+[Aexp(?E_a/RT_i)(1?α_i)?]Δt。迭代后得α≈0.78（78%）。6.綜合應(yīng)用題（共40分）6.1某航空壁板采用CF/PEEK熱塑性復(fù)合材料，設(shè)計(jì)尺寸1.2m×0.8m，T形加筋共5根，筋高20mm。擬采用電阻焊接工藝將筋條與蒙皮連接，焊接區(qū)寬度8mm，厚度0.25mm。已知：–CF/PEEK界面斷裂韌性G_IC=1.8kJ/m2；–焊接接頭設(shè)計(jì)載荷線密度F_d=800N/mm；–焊接功率密度上限q_max=15W/mm2；–焊接時(shí)間t_w≤60s。要求：（1）按線彈性斷裂力學(xué)估算最小焊接長(zhǎng)度L_min，使接頭強(qiáng)度≥設(shè)計(jì)載荷；（2）校核功率密度是否超限；（3）提出在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)方案并給出合格判據(jù)。答案：（1）G=F2/(2Ebt)，取E=130GPa，b=8mm，t=0.25mm，令G≤G_IC，則F≤√(2EbtG_IC)=√(2×130×103×8×0.25×1.8)=√936000=967N/mm>800N/mm，故8mm寬度滿足，無(wú)需增加L_min，實(shí)際焊接長(zhǎng)度取筋條全長(zhǎng)1.2m。（2）所需總功率P=F_d×L×v，假設(shè)加熱效率η=0.6，單位面積能量Q=G_IC/η=3kJ/m2，焊接區(qū)面積A=1.2×0.008=0.0096m2，總能量E=3×0.0096×103=28.8kJ，t_w=60s，則平均功率P_avg=28.8×103/60=480W，功率密度q=480/0.0096=5W/mm2<15W/mm2，未超限。（3）在線監(jiān)測(cè)：采用紅外熱像儀實(shí)時(shí)測(cè)量焊接區(qū)溫度，合格判據(jù)：溫度平臺(tái)380±10℃，持續(xù)時(shí)間≥30s；同時(shí)用激光位移傳感器測(cè)量筋條與蒙皮間隙，焊后間隙<0.05mm；抽樣做短梁剪切，強(qiáng)度≥80MPa。6.2某風(fēng)電葉片主梁帽采用CF/環(huán)氧拉擠板材，寬度150mm，厚度40mm，要求纖維體積分?jǐn)?shù)65%，孔隙率<0.5%。拉擠速度0.3m/min，固化區(qū)長(zhǎng)度1.2m，模具溫度分區(qū)：預(yù)熱區(qū)120℃，固化區(qū)160℃，后固化區(qū)180℃。試建立一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)—固化耦合模型，求：（1）固化區(qū)最小停留時(shí)間，使中心固化度≥90%；（2）若中心溫度超過(guò)185℃將發(fā)生樹(shù)脂降解，校核現(xiàn)有溫度分區(qū)是否安全；（3）提出降低孔隙率的工藝優(yōu)化措施（至少3條）。答案：（1）采用一維熱傳導(dǎo)+固化動(dòng)力學(xué)耦合，有限差分求解，步長(zhǎng)Δx=10mm，Δt=1s。材料參數(shù)：ρ=1600kg/m3，C_p=1200J/(kg·K)，k=1.2W/(m·K)，固化動(dòng)力學(xué)同5.3。計(jì)算得中心點(diǎn)到達(dá)160℃后需停留約180s可使α≥90%，現(xiàn)有固化區(qū)長(zhǎng)度1.2m，速度0.3m/min，停留時(shí)間=1.2/0.005=240s>180s，滿足。（2）模擬顯示中心峰值溫度178℃<185℃，安全。（3）降低孔隙率措施：①模具真空口布置在厚度中心線，抽真空至<50mbar；②樹(shù)脂脫氣處理80℃真空攪拌30min；③纖維預(yù)熱110℃去除吸附水分；④增加固化區(qū)壓力至0.15MPa；⑤采用梯度升溫，降低峰值放熱速率。7.分析論述題（共30分）7.1結(jié)合具體數(shù)據(jù)，對(duì)比熱固性預(yù)浸料熱壓罐成型與熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲（AFP）原位成型的“成本—性能—周期”三角關(guān)系，并給出未來(lái)10年航空主承力結(jié)構(gòu)的工藝選擇路線圖。答案：成本：熱壓罐設(shè)備折舊+能耗+冷凍存儲(chǔ)，制造成本約650$/kg；AFP原位無(wú)需熱壓罐，能耗降低80%，但設(shè)備投資高（激光頭+機(jī)器人約300萬(wàn)$），規(guī)模化后成本降至480$/kg。性能：熱壓罐孔隙率<1%，層間剪切強(qiáng)度90MPa；原位AFP孔隙率1.5%，層剪80MPa，但可通過(guò)焊接補(bǔ)強(qiáng)恢復(fù)至85MPa。周期：熱壓罐8h，原位30min，裝配周期縮短50%。路線圖：2025—2027年，機(jī)翼蒙皮仍用熱壓罐保證高疲勞性能；2028—2030年，隨著激光焊接與在線監(jiān)測(cè)成熟，中機(jī)身壁板切換至AFP原位+焊接；2030年后，基于熱塑性整體成型+機(jī)器人裝配，全復(fù)材機(jī)身成本再降20%，周期<3天。7.2針對(duì)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919機(jī)翼下壁板T800級(jí)CF/環(huán)氧大厚度（≥45mm）制件，分析傳統(tǒng)熱壓罐成型面臨的“溫度滯后—固化梯度—?dú)堄鄳?yīng)力”三大難題，并提出基于“梯度模具+智能加熱+超聲沖擊”協(xié)同控制的技術(shù)