復(fù)合材料專業(yè)競(jìng)賽題庫(kù)及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一組纖維與基體組合屬于典型的金屬基復(fù)合材料？A.碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂B.硼纖維/鋁C.玻璃纖維/不飽和聚酯D.芳綸纖維/環(huán)氧答案：B2.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.三點(diǎn)彎曲B.雙懸臂梁(DCB)C.微脫粘(μpullout)D.夏比沖擊答案：C3.對(duì)于單向?qū)雍习澹v向彈性模量E?的混合律公式為：A.E?=E_fV_f+E_mV_mB.1/E?=V_f/E_f+V_m/E_mC.E?=(E_f+E_m)/2D.E?=√(E_fE_m)答案：A4.在真空輔助樹(shù)脂灌注(VARI)工藝中，最常見(jiàn)的缺陷是：A.纖維屈曲B.富脂區(qū)C.干斑D.纖維斷裂答案：C5.下列哪種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳纖維層合板內(nèi)部分層最敏感？A.超聲C掃描B.渦流C.射線照相D.磁粉答案：A6.熱固性環(huán)氧體系固化度α達(dá)到多少時(shí)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g基本接近平臺(tái)值？A.0.50B.0.75C.0.90D.0.98答案：D7.對(duì)夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)，芯材剪切強(qiáng)度τ_c的計(jì)算公式為：A.τ_c=P/(b·d)B.τ_c=P·a/(b·d_c)C.τ_c=P/(2b·d_c)D.τ_c=3P·L/(2b·d2)答案：B8.碳纖維表面等離子體處理的主要目的是：A.提高纖維模量B.增加表面粗糙度和活性官能團(tuán)C.降低密度D.提高導(dǎo)電性答案：B9.在層合板經(jīng)典層合理論(CLT)中，[B]矩陣不為零說(shuō)明：A.材料為各向同性B.存在拉伸彎曲耦合C.層合板對(duì)稱D.僅受面內(nèi)載荷答案：B10.根據(jù)Griffith斷裂理論，脆性基體復(fù)合材料臨界應(yīng)變能釋放率G_c與斷裂應(yīng)力σ_f的關(guān)系為：A.σ_f∝√(G_c/a)B.σ_f∝G_c/aC.σ_f∝a/G_cD.σ_f∝G_c2/a答案：A二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）11.下列哪些因素會(huì)顯著降低纖維/基體界面剪切強(qiáng)度？A.纖維表面未上漿B.界面存在水分C.纖維體積分?jǐn)?shù)V_f增加D.固化后殘余熱應(yīng)力大答案：A、B、D12.對(duì)碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料進(jìn)行熱壓罐成型時(shí)，必須監(jiān)控的參數(shù)包括：A.升溫速率B.保溫壓力C.真空度D.纖維直徑答案：A、B、C13.下列哪些現(xiàn)象屬于復(fù)合材料層合板的“濕膨脹”行為？A.吸水后厚度增加B.吸水后0°方向膨脹C.吸水后90°方向膨脹D.吸水后密度降低答案：A、B、C14.采用芳綸纖維替代玻璃纖維作為防彈材料的原因有：A.比強(qiáng)度更高B.斷裂伸長(zhǎng)率更大C.密度更低D.耐紫外線性能更好答案：A、B、C15.下列哪些方法可用于測(cè)量樹(shù)脂基復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g？A.DSCB.DMAC.TGAD.TMA答案：A、B、D三、填空題（每空2分，共20分）16.單向?qū)雍习鍣M向彈性模量E?的HalpinTsai經(jīng)驗(yàn)公式為E?=E_m·(1+ξηV_f)/(1–ηV_f)，其中η=________。答案：(E_f/E_m–1)/(E_f/E_m+ξ)17.在層合板面內(nèi)剛度矩陣[Q]中，Q??=________。答案：ν??E?/(1–ν??ν??)18.夾層結(jié)構(gòu)芯材的剪切模量G_c若過(guò)低，在彎曲載荷下易發(fā)生________破壞。答案：剪切皺曲(shearcrimping)19.真空袋壓成型時(shí)，通常要求真空度不低于________kPa（絕對(duì)壓力）。答案：2020.碳纖維表面電化學(xué)氧化處理常用的電解質(zhì)為_(kāi)_______溶液。答案：碳酸氫銨或稀硫酸（任填一種）21.根據(jù)ASTMD3039，拉伸試樣標(biāo)距段寬度對(duì)1mm厚單向帶推薦為_(kāi)_______mm。答案：1522.當(dāng)層合板鋪層為[0/90?]_s時(shí)，總層數(shù)為_(kāi)_______層。答案：1023.濕熱環(huán)境下，環(huán)氧基復(fù)合材料的T_g下降主要由于樹(shù)脂的________作用。答案：塑化24.采用RuleofMixtures估算密度時(shí)，若纖維密度ρ_f=1.8g/cm3，基體ρ_m=1.2g/cm3，V_f=60%，則復(fù)合材料的密度為_(kāi)_______g/cm3。答案：1.5625.在疲勞試驗(yàn)中，S–N曲線斜率k越大，說(shuō)明材料對(duì)疲勞載荷的敏感度越________。答案：低四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）26.簡(jiǎn)述纖維/基體界面微觀脫粘的兩種主要機(jī)制，并指出它們對(duì)應(yīng)的斷口形貌特征。答案：(1)界面脫粘：裂紋沿纖維表面擴(kuò)展，斷口光滑，纖維表面干凈，常見(jiàn)于弱界面體系；(2)基體內(nèi)聚破壞：裂紋在基體內(nèi)部擴(kuò)展，斷口粗糙，纖維表面殘留基體，說(shuō)明界面強(qiáng)度高于基體強(qiáng)度。27.說(shuō)明熱壓罐成型中“壓實(shí)階段”與“固化階段”的工藝目的及關(guān)鍵控制參數(shù)。答案：壓實(shí)階段：去除揮發(fā)分與孔隙，使纖維充分浸潤(rùn)，關(guān)鍵參數(shù)為升溫速率1–3°C/min、全真空–0.08MPa、壓力0.6MPa；固化階段：完成交聯(lián)反應(yīng)，建立力學(xué)性能，關(guān)鍵參數(shù)為保溫溫度(T_cure±2°C)、保溫時(shí)間(按樹(shù)脂動(dòng)力學(xué)確定)、壓力保持0.6MPa。28.寫出層合板對(duì)稱鋪層[±45/0/90]_2s的A??、D??是否為零，并解釋原因。答案：A??=0，因?yàn)殇亴雨P(guān)于中面對(duì)稱，且+45°與–45°層對(duì)面內(nèi)剪切耦合貢獻(xiàn)抵消；D??≠0，因?yàn)椤?5°層遠(yuǎn)離中面，對(duì)彎曲扭轉(zhuǎn)耦合有貢獻(xiàn)，層合板非對(duì)稱彎曲。五、計(jì)算題（共41分）29.（10分）已知單向碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料：E_f=230GPa，E_m=3.5GPa，V_f=60%，ν_f=0.2，ν_m=0.35。(1)用混合律求縱向模量E?；(2)用HalpinTsai公式求橫向模量E?（取ξ=2）；(3)求主泊松比ν??。答案：(1)E?=0.6×230+0.4×3.5=139.4GPa(2)η=(230/3.5–1)/(230/3.5+2)=0.941E?=3.5×(1+2×0.941×0.6)/(1–0.941×0.6)=3.5×2.1292/0.4354=17.1GPa(3)ν??=0.6×0.2+0.4×0.35=0.2630.（10分）一塊[0/90/0/90]矩形層合板，單層厚度t_k=0.125mm，面內(nèi)尺寸100mm×50mm，受單軸拉伸N_x=1kN/mm。已知0°層Q??=140GPa，90°層Q??=10GPa，Q??=3GPa，忽略耦合。求：(1)面內(nèi)剛度A??；(2)中面應(yīng)變?chǔ)臺(tái)x?；(3)0°層應(yīng)力σ_x^(0)。答案：(1)總厚h=4×0.125=0.5mmA??=Σ(Q??)_kt_k=(140+10+140+10)×0.125=300×0.125=37.5kN/mm(2)ε_(tái)x?=N_x/A??=1/37.5=0.02667(2.67%)(3)σ_x^(0)=Q??ε_(tái)x?=140×0.02667=3.73GPa31.（11分）夾層梁寬b=25mm，跨距L=200mm，芯厚h_c=10mm，面板厚t_f=1mm，四點(diǎn)彎曲載荷P=400N，加載點(diǎn)距支座a=50mm。測(cè)得跨中撓度δ=2.5mm。(1)計(jì)算芯材剪切模量G_c（忽略面板彎曲貢獻(xiàn)）；(2)若芯材剪切強(qiáng)度τ_c=0.8MPa，按此載荷校核是否安全。答案：(1)夾層梁撓度公式：δ=P·a·(3L2–4a2)/(24·D)+P·a/(2·b·h_c·G_c)面板抗彎剛度D=E_fbt_fh_c2/2，取E_f=70GPaD=70×103×25×1×102/2=8.75×10?N·mm2彎曲項(xiàng)δ_b=400×50×(3×2002–4×502)/(24×8.75×10?)=0.17mm剪切項(xiàng)δ_s=δ–δ_b=2.33mm2.33=400×50/(2×25×10×G_c)→G_c=400×50/(2×25×10×2.33)=17.2MPa(2)芯材剪力V=P/2=200Nτ=V/(bh_c)=200/(25×10)=0.8MPa≤τ_c，安全。32.（10分）某環(huán)氧澆注體在125°C下等溫固化，DSC測(cè)得反應(yīng)熱ΔH_t與完全固化ΔH_∞之比為未固化度(1–α)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：t(min)0102030401–α10.650.400.250.18若反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)dα/dt=k(1–α)，求：(1)用20–40min數(shù)據(jù)線性回歸求k；(2)預(yù)測(cè)α=0.95所需時(shí)間。答案：(1)ln(1–α)=–kt+C，取20–40min三點(diǎn)：ln0.40=–0.916，ln0.25=–1.386，ln0.18=–1.715線性回歸斜率=(–1.715+0.916)/(40–20)=–0.03995min?1k=0.040min?1(2)1–α=0.05→ln0.05=–2.996=–0.040t→t=74.9min≈75min六、綜合設(shè)計(jì)題（共30分）33.某型電動(dòng)垂直起降(eVTOL)機(jī)艙地板要求：面密度≤6kg/m2，1kN集中載荷下中心撓度≤2mm，板尺寸600mm×400mm，四邊固支。現(xiàn)有材料庫(kù)：碳纖維T700/epoxy預(yù)浸料：ρ=1.6g/cm3，E?=140GPa，[0/90]?鋪層視為均質(zhì)E=70GPa；鋁蜂窩芯：ρ_c=64kg/m3，G_c=22MPa，剪切強(qiáng)度τ_c=0.9MPa；面板厚度t_f與芯厚h_c可連續(xù)取值。(1)建立“面板芯”夾層板在集中載荷P下的最大撓度δ解析式（取β=0.0056固支系數(shù)）；(2)以面密度最小為目標(biāo)，用解析法求滿足剛度與芯材剪切強(qiáng)度要求的最優(yōu)t_f與h_c；(3)給出最終鋪層數(shù)n與芯厚h_c的整數(shù)化方案，并校核撓度與剪切安全裕度。答案：(1)固支矩形板中心集中載荷撓度：δ=βPa2b2/[D_s+D_f]其中D_s=b·h_c2·t_f·E_f/2（面板抗彎），D_f忽略；剪切項(xiàng)δ_v=P/(4bh_cG_c)（四邊剪流分配）；總δ=βPa2b2/(E_fbh_c2t_f/2)+P/(4bh_cG_c)代入β=0.0056，a=0.6m，b=0.4m，P=1kN，E_f=70GPa，G_c=22MPa。(2)面密度Σ=2t_fρ_f+h_cρ_c=2t_f×1600+h_c×64(kg/m2)約束：δ≤0.002m，τ=P/(4bh_c)≤0.9MPa→h_c≥1kN/(4×0.4m×0.9MPa)=0.694mm將δ表達(dá)式與h_c≥0.694mm聯(lián)立，用拉格朗日乘子法求Σ最小，得：t_f=0.21mm，h_c=6.5mm，Σ=2×0.21×1.6+6.5×0.064=1.09kg/m2<6kg/m2(3)單層預(yù)浸料固化厚0.125mm，取n=2，則t_f=0.25mm；芯材常用3mm步進(jìn)，取h_c=9mm；重新計(jì)算：δ=0.0056×1000×0.62×0.42/(70×10?×0.4×0.0092×0.00025/2)+1000/(4×0.4×0.009×22×10?)=0.45mm+3.2mm=3.65mm>2mm不滿足將h_c提至12mm，δ=0.25mm+2.4mm=2.6