復(fù)合材料

前言

　　復(fù)合材料被認(rèn)為是除金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料之外的第四大類材料，它是金屬、無機(jī)非金屬和高分子等單一材料發(fā)展和應(yīng)用的必然結(jié)果。航空航天等高科技領(lǐng)域的發(fā)展，對材料提出了更為苛刻的要求，單一材料很難滿足性能的綜合要求和高指標(biāo)要求，材料復(fù)合化成為材料發(fā)展的必然趨勢，同時為復(fù)合材料的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的需求牽引。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異性、異形的材料經(jīng)過一定的復(fù)合工藝所得到的新型材料，它既保留了原有組分的主要特點(diǎn)，同時通過協(xié)同效應(yīng)獲得原有組分所沒有的優(yōu)異性能。復(fù)合材料可經(jīng)設(shè)計(jì)，使原組分材料優(yōu)勢互補(bǔ)，呈現(xiàn)出出色的綜合性能。復(fù)合材料因具有可設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為人類社會的發(fā)展開辟了無限的想象和實(shí)現(xiàn)空間。隨著新型復(fù)合材料的不斷涌現(xiàn)，復(fù)合材料不僅應(yīng)用在導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)、人造衛(wèi)星等尖端領(lǐng)域，在汽車、造船、建筑、電子、橋梁、機(jī)械、能源、醫(yī)療和體育等領(lǐng)域也都得到了廣泛應(yīng)用?！　”緯到y(tǒng)介紹了結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基本概念、復(fù)合原理以及不同類型的復(fù)合材料的材料體系組成、制備工藝、性能和應(yīng)用。第1章介紹了復(fù)合材料的發(fā)展概況、基本概念、復(fù)合材料復(fù)合原理、復(fù)合材料的組元及其作用，以利于后續(xù)各章的學(xué)習(xí)。第2章著重介紹了復(fù)合材料常用增強(qiáng)體的類型、制備、主要性能和應(yīng)用，為了便于理解復(fù)合材料增強(qiáng)體的排布對復(fù)合材料性能的影響，還簡要介紹了復(fù)合材料纖維預(yù)制體的編織方法和結(jié)構(gòu)。第3章和第4章分別介紹了聚合物基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料的基體、制備方法、界面與界面控制、性能和應(yīng)用。第5章以陶瓷材料增韌方法為主線，分別介紹了陶瓷基復(fù)合材料各種增韌方法的增韌原理、制備技術(shù)、性能和應(yīng)用。由于陶瓷的纖維增韌和仿生學(xué)增韌是兩種非常有效的增韌途徑，它們不僅使陶瓷材料的斷裂韌性大幅度提高，更主要的是使陶瓷材料的應(yīng)力一應(yīng)變行為和斷裂特征發(fā)生質(zhì)的變化，為此用了較長篇幅進(jìn)行介紹。第6章較詳細(xì)介紹了碳／碳復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)介紹了結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基本概念、復(fù)合原理以及不同類型復(fù)合材料的材料體系組成、制備工藝、性能和應(yīng)用，是材料類專業(yè)的專業(yè)教材。全書共分6章，包括復(fù)合材料基礎(chǔ)，復(fù)合材料增強(qiáng)體，聚合物基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，碳／碳復(fù)合材料。    本書可作為高等院校材料科學(xué)與工程、高分子材料、金屬材料及無機(jī)非金屬材料的本科專業(yè)教材，也可供相關(guān)專業(yè)的研究生、教師及工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

1　復(fù)合材料基礎(chǔ)　1.1　復(fù)合材料發(fā)展概況　1.2　復(fù)合材料的定義、命名和分類　　1.2.1　復(fù)合材料的定義　　1.2.2　復(fù)合材料的命名　　1.2.3　復(fù)合材料的分類　1.3　復(fù)合材料的組成　　1.3.1　復(fù)合材料的基體　　1.3.2　復(fù)合材料增強(qiáng)體　　1.3.3　復(fù)合材料界面　1.4　復(fù)合材料復(fù)合原理　　1.4.1　顆粒增強(qiáng)原理　　1.4.2　單向排列連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料　　1.4.3　短纖維增強(qiáng)原理　參考文獻(xiàn)2　復(fù)合材料增強(qiáng)體　2.1　玻璃纖維增強(qiáng)體　　2.1.1　玻璃纖維的發(fā)展歷史　　2.1.2　玻璃纖維的特點(diǎn)及分類　　2.1.3　玻璃纖維的制造方法　　2.1.4　玻璃纖維的性能　　2.1.5　玻璃纖維的表面處理　2.2　碳纖維增強(qiáng)體　　2.2.1　碳纖維的發(fā)展歷史　　2.2.2　碳纖維的特點(diǎn)及分類　　2.2.3　聚丙烯腈基碳纖維　　2.2.4　瀝青基碳纖維　　2.2.5　碳纖維的結(jié)構(gòu)　　2.2.6　碳纖維的物理性能與化學(xué)性能　2.3　氧化鋁系纖維增強(qiáng)體　　2.3.1　氧化鋁質(zhì)纖維發(fā)展歷史　　2.3.2　連續(xù)氧化鋁質(zhì)纖維的制備　　2.3.3　連續(xù)氧化鋁質(zhì)纖維的性能　　2.3.4　氧化鋁短纖維的制造方法　2.4　碳化硅質(zhì)纖維增強(qiáng)體　　2.4.1　先驅(qū)絲法制備碳化硅纖維　　2.4.2　化學(xué)氣相沉積法制備碳化硅纖維　2.5　芳綸纖維增強(qiáng)體　　2.5.1　Kevlar纖維的制備　　2.5.2　芳綸纖維的結(jié)構(gòu)　　2.5.3　芳綸纖維的性能　　2.5.4　芳綸纖維的應(yīng)用　2.6　硼纖維增強(qiáng)體　　2.6.1　硼纖維的發(fā)展歷史　　2.6.2　硼纖維的制造　　2.6.3　硼纖維的性能　　2.6.4　硼纖維的應(yīng)用　2.7　晶須　　2.7.1　晶須的生長機(jī)制　　2.7.2　晶須的制備方法　　2.7.3　晶須的性能　　2.7.4　硼酸鋁晶須　　2.7.5　晶須的應(yīng)用與前景　2.8　纖維預(yù)制體　　2.8.1　纖維預(yù)制體的分類　　2.8.2　纖維預(yù)制體的二維織造工藝　　2.8.3　三維紡織工藝　參考文獻(xiàn)3　聚合物基復(fù)合材料　3.1　概述　　3.1.1　聚合物基復(fù)合材料的發(fā)展　　3.1.2　聚合物基復(fù)合材料的定義和分類　　3.1.3　聚合物基復(fù)合材料的特點(diǎn)　3.2　聚合物基體　　3.2.1　概述　　3.2.2　熱固性基體　　3.2.3　熱塑性基體　3.3　聚合物基復(fù)合材料界面　　3.3.1　聚合物基復(fù)合材料界面的形成　　3.3.2　改善聚合物基復(fù)合材料界面的原則　　3.3.3　聚合物基復(fù)合材料的界面及改善途徑　3.4　聚合物基復(fù)合材料的制備工藝　　3.4.1　復(fù)合材料預(yù)浸料、預(yù)混料的制備　　3.4.2　手糊成型　　3.4.3　袋壓成型　　3.4.4　纏繞成型　　3.4.5　拉擠成型　　3.4.6　模壓成型　　3.4.7　樹脂傳遞模塑　　3.4.8　纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物(FRTP)成型技術(shù)　　3.4.9　注射成型　3.5　聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能　　3.5.1　靜態(tài)力學(xué)性能　　3.5.2　疲勞性能　　3.5.3　沖擊和韌性　參考文獻(xiàn)4　金屬基復(fù)合材料　4.1　概述　　4.1.1　金屬基復(fù)合材料的發(fā)展　　4.1.2　金屬基復(fù)合材料的分類　　4.1.3　金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)　4.2　金屬基復(fù)合材料的基體　　4.2.1　基體的選用原則　　4.2.2　各類金屬基體　4.3　金屬基復(fù)合材料的制造方法　　4.3.1　固態(tài)法　　4.3.2　液態(tài)法　　4.3.3　原位復(fù)合法　4.4　金屬基復(fù)合材料的界面　　4.4.1　金屬基復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)及界面反應(yīng)　　4.4.2　界面對金屬基復(fù)合材料性能的影響　　4.4.3　界面優(yōu)化及界面反應(yīng)控制途徑　4.5　金屬基復(fù)合材料的性能與應(yīng)用　　4.5.1　鋁基復(fù)合材料　　4.5.2　鎂基復(fù)合材料　　4.5.3　鈦基復(fù)合材料　　4.5.4　金屬間化合物基復(fù)合材料　　4.5.5　混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料　參考文獻(xiàn)5　陶瓷基復(fù)合材料　5.1　第二相顆粒增韌　　5.1.1　熱膨脹失配增韌機(jī)制與增韌效果預(yù)測　　5.1.2　應(yīng)力誘導(dǎo)微裂紋區(qū)增韌機(jī)制　　5.1.3　殘余應(yīng)力場增韌機(jī)制　　5.1.4　顆粒的裂紋橋聯(lián)增韌機(jī)制　5.2　ZrO2相變增韌陶瓷　　5.2.1　ZrO2相變增韌機(jī)理　　5.2.2　ZrO2增韌陶瓷性能及用途　5.3　晶須增韌陶瓷　　5.3.1　晶須的增韌機(jī)制　　5.3.2　影響韌化行為的因素　　5.3.3　晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)　　5.3.4　晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與應(yīng)用　5.4　纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料　　5.4.1　纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為與增韌機(jī)制　　5.4.2　纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料制備技術(shù)　　5.4.3　纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料界面和界面控制　　5.4.4　碳纖維SiC基復(fù)合材料　　5.4.5　纖維增韌氧化物基復(fù)合材料　　5.4.6　纖維增韌玻璃陶瓷基復(fù)合材料　5.5　仿生結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料　　5.5.1　貝殼珍珠層的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能　　5.5.2　仿生結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料設(shè)計(jì)思路與制備工藝　　5.5.3　層狀陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)制　　5.5.4　Si3N6基層狀復(fù)合陶瓷材料　　5.5.5　氧化物基層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料　參考文獻(xiàn)6　碳/碳復(fù)合材料　6.1　碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展和特點(diǎn)　6.2　碳/碳復(fù)合材料的制造工藝　　6.2.1　碳/碳復(fù)合材料的制備過程　　6.2.2　等溫化學(xué)氣相滲透(ICVI)　　6.2.3　熱梯度化學(xué)氣相滲透(TCVI)　　6.2.4　化學(xué)液相氣化滲透(CLVI)　　6.2.5　浸漬熱解工藝　　6.2.6　熱解碳的微觀結(jié)構(gòu)和沉積形成機(jī)理　　6.2.7　制備工藝的計(jì)算機(jī)模擬　6.3　碳/碳復(fù)合材料的性能　　6.3.1　力學(xué)性能　　6.3.2　熱物理性能　　6.3.3　抗燒蝕性能　　6.3.4　疲勞特性　　6.3.5　摩擦磨損性能　　6.3.6　生物相容性　6.4　碳/碳復(fù)合材料抗氧化技術(shù)　　6.4.1　碳/碳復(fù)合材料的氧化機(jī)理　　6.4.2　基體改性技術(shù)　　6.4.3　抗氧化涂層技術(shù)　6.5　碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用　　6.5.1　熱結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)用　　6.5.2　耐燒蝕材料的應(yīng)用　　6.5.3　高性能剎車材料的應(yīng)用　　6.5.4　生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用　　6.5.5　其他方面的應(yīng)用　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.1 復(fù)合材料發(fā)展概況　　材料在人類發(fā)展史上起著十分重要的作用，一種新材料的出現(xiàn)，往往會引起生產(chǎn)工具的革新和生產(chǎn)力的大幅度提高。歷史學(xué)家常把人類的發(fā)展史按石器時代、陶器時代、青銅器時代和鐵器時代來劃分?？梢哉f，人類的文明史也就是材料的進(jìn)步史?！　?0世紀(jì)以來，高度成熟的鋼鐵工業(yè)已成為現(xiàn)代工業(yè)的重要支柱，在已使用的結(jié)構(gòu)材料中，鋼鐵材料占一半以上，但是隨著宇航、導(dǎo)彈、原子能等現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代的鋼鐵和有色合金材料已很難滿足要求。例如在設(shè)計(jì)導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、飛機(jī)的承載構(gòu)件時，理想的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有重量輕、強(qiáng)度和模量高的特點(diǎn)，即比強(qiáng)度和比模量要高。然而，即使比普通鋼強(qiáng)度高七倍左右的高強(qiáng)度鋼，由于密度大，其比強(qiáng)度仍很低，要增加構(gòu)件的強(qiáng)度就必須同時增加其重量，這對高速運(yùn)動的部件來說是無意義的。至于比模量，常用的各種工程材料其數(shù)值很接近，相互替代意義不大?！　‘?dāng)三大合成材料在21世紀(jì)相繼問世以后，材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了深刻的變化。塑料比鋁輕一半左右，比鋼輕80％～87％，用塑料制造構(gòu)件所需的勞動量比金屬材料少2／3以上。但是，塑料。強(qiáng)度低、耐熱性差。20世紀(jì)40年代迅速發(fā)展起來的新型復(fù)合材料使上述材料的缺點(diǎn)得到了克服。例如碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的比模量比鋼和鋁合金高五倍，其比強(qiáng)度也高三倍以上，同時還具有碳纖維的密度小、耐熱、耐化學(xué)腐蝕、耐熱沖擊、熱膨脹小、耐燒蝕等優(yōu)良的性能。碳纖維／樹脂復(fù)合材料作為工程材料和燒蝕材料可以大大減輕宇宙飛船、導(dǎo)彈、飛機(jī)等的重量，提高其有效載荷，并改善其性能?！　?fù)合材料，顧名思義，就是由兩種或兩種以上的材料經(jīng)一定的復(fù)合工藝制造出來的一種新型材料。自然界中存在許多天然的復(fù)合材料。例如樹木和竹子是纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；動物骨骼則由無機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。人類很早就接觸和使用各種天然復(fù)合材料，并仿效自然界制作復(fù)合材料。例如早在六千多年前，我國陜西西半坡人就懂得將草梗和泥筑墻；而世界聞名的我國的傳統(tǒng)工藝品——漆器就是由麻纖維和土漆復(fù)合而成的，至今已有四千多年的歷史?，F(xiàn)代復(fù)合材料的制作成功則要從1942年的第二次世界大戰(zhàn)中玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開始算起。材料科學(xué)家們認(rèn)為，就世界范圍而論，從1940年到1960年這20年間，是玻璃纖維增強(qiáng)塑料時代，可以稱為復(fù)合材料發(fā)展的第一代。從1960年到1980年這20年間是先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展時期，1960年到1965年英國研制出碳纖維，1971年美國杜邦公司開發(fā)出Kevler-49，1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及Kevler“纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”已用于飛機(jī)、火箭的主承力件上，這一時期被稱為復(fù)合材料發(fā)展的第二代。1980年到1990年間，是纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的時代，其中以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛，這一時期是復(fù)合材料發(fā)展的第三代。1990年以后則被認(rèn)為是復(fù)合材料發(fā)展的第四代，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如機(jī)敏（智能）復(fù)合材料和梯度功能材料等。隨著新型復(fù)合材料的不斷涌現(xiàn)，復(fù)合材料不僅只應(yīng)用在導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等尖端工業(yè)中，在航空、汽車、造船、建筑、電子、橋梁、機(jī)械、醫(yī)療和體育等各個部門都得到應(yīng)用。

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