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复合材料力学实验试题

考试对象：材料科学与工程、复合材料工程等相关专业本科生/研究生

考试时间：两小时

总分：一百分

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注意事项：

1.请用黑色或蓝色水笔在答题纸上作答，字迹工整，卷面整洁。

2.请在答题纸指定位置填写姓名、学号、班级等信息。

3.答案应简明扼要，理论联系实际，必要时可辅以公式、图表说明。

4.严禁抄袭、作弊，一经发现按相关规定处理。

5.实验操作类问题，请基于实验室常规安全规范和操作流程进行回答。

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一、概念辨析与简答题(每题8分，共24分)

1.请简述复合材料的定义，并举例说明其在力学性能上与传统均质材料（如金属、陶瓷）相比，最显著的两个特点及其对实验测试带来的特殊要求。

2.在复合材料单向板拉伸实验中，通常需要测定纵向拉伸强度、纵向弹性模量、横向拉伸强度、横向弹性模量以及泊松比。请问：

*（1）纵向和横向分别指的是什么方向？

*（2）测定泊松比时，为何需要在试样的纵向和横向同时粘贴应变片？

3.什么是复合材料的“边裂”现象？在进行层合板弯曲实验时，如何判断试样可能发生了边裂失效？这种失效模式对弯曲强度测试结果有何影响？

二、实验原理与方法论述题(每题12分，共24分)

1.论述单向复合材料拉伸实验中，试样制备的关键技术要点（包括试样形状、尺寸、铺层、加强片等）及其对实验结果准确性的影响。若采用不同标准（如ASTM与GB），试样尺寸可能存在差异，这对实验结果的可比性有何启示？

2.简述短梁剪切实验（ShortBeamShearTest）用于测定复合材料层间剪切强度的基本原理。相比于拉伸剪切或扭转剪切实验，短梁剪切实验有哪些优势和局限性？在实验过程中，如何确保载荷沿着试样宽度方向均匀分布？

三、实验操作与数据处理分析题(共32分)

*（a）请在曲线上标出弹性变形阶段、屈服阶段（若有）、强化阶段（若有）和断裂点。

*（b）已知试样宽度为W，厚度为t，标距长度为L。请写出计算纵向拉伸弹性模量（E?）、拉伸强度（σ??）和断裂伸长率（ε??）的计算公式，并说明公式中各参数的含义及单位。

*（c）若实验过程中，应变片粘贴存在微小的角度偏差（即应变片轴线与试样纵向不完全一致），这会对E?和σ??的测试结果产生何种影响？为什么？

2.（17分）某研究人员欲通过实验评估两种不同铺层方式的碳纤维/树脂基复合材料层合板（[0°/90°]?s和[±45°]?s）的面内剪切性能。

*（a）你会建议采用哪种实验方法？请说明选择该方法的理由。

*（b）简述该实验方法的主要测试步骤。

*（c）如何从实验数据中获取面内剪切模量（G??）和面内剪切强度（τ???）？

*（d）预计哪种铺层方式的层合板面内剪切强度更高？请从复合材料细观结构和受力角度解释原因。

四、实验设计与综合应用题(20分)

某航空航天部件拟采用一种新型耐高温树脂基复合材料，其增强体为二维编织的石英纤维布。为评估该材料在实际应用中的结构承载能力，需要对其基本力学性能进行表征。假设你是实验室负责人，请设计一个实验方案，至少包含三项关键的力学性能测试。对于每一项测试，请说明：

1.测试的力学性能指标名称；

2.选择的实验标准或方法（可简述原理）；

3.试样的铺层设计和取样方向（相对于编织方向）；

4.实验过程中需要特别注意的一个关键环节及其原因。

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参考答案及评分要点（仅供阅卷参考，考生无需作答此部分）

（注：此处仅为示例，实际出题时可省略或单独附页。参考答案应尽可能详细，涵盖主要得分点和可能的答题方向。）

一、概念辨析与简答题

1.复合材料定义：由两种或两种以上物理、化学性质不同的材料，通过一定的工艺方法复合而成，具有新性能的材料。显著特点：(1)各向异性，导致不同方向力学性能差异大，实验需精确控制加载方向和试样取向。(2)性能可设计性，通过改变组分、含量、铺层等实现性能调控，实验需针对性设计试样。（定义2分，特点各3分，对实验要求各1分）

2.（1）纵向：沿增强体（如纤维）的主要排列方向；横向：垂直于增强体主要排列方向。（各2分）（2）因为泊松比定义为横向应变与纵向应变之比的负值，需同时测量两个方向的应变才能计算。（4分）

3.边裂：层合板弯曲时，受拉侧边缘出现的沿厚度方向的裂纹。判断：试样受拉侧边出现分层、裂纹，或载荷-位移曲线出现非线性转折后载荷下降。影响：边裂会导致名义弯曲强度降低，因为它提前释放了部分应力，使材料未能充分发挥其承载能力。（定义3分，判断3分，影响2分）

二、实验原理与方法论述题

1.关键技术要点：

*试样形状与尺寸：通常为矩形，符合标准规定，保证夹持和均匀受力。（2分）