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第1部分 复合材料基础1

第1章 高分子基复合材料1

1.1 概述1

1.2 高分子基复合材料的定义和分类3

1.3 增强纤维和基体4

1.3.1 玻璃纤维(Glass fibers)4

1.3.2 碳纤维(Carbon fibers)5

1.3.3 芳香族聚酰胺合成纤维(Aramid fibers)7

1.3.4 热固性基体8

1.3.5 热塑性基体9

1.4 高分子基复合材料的制造工艺和方法10

1.4.1 手工成形法和喷涂成形法(Hand lay-up and Spray-up)10

1.4.2 压缩成形法(Compression molding)11

1.4.3 注射成形法(Injection molding)12

1.4.4 SMC压缩成形法(Compression molding of SMCs)12

1.4.5 RTM成形法(Resin Transfer Molding)13

1.4.6 真空热压成形法(Autoclaved Molding,Hot Press Molding)14

1.4.7 连续缠绕成形法(Filament Winding)16

1.5 连续纤维增强高分子基复合材料力学16

1.5.1 单方向复合材料17

1.5.2 层合板的弹性常数27

1.5.3 层合板力学的基本方程34

1.6 不连续纤维增强高分子基复合材料力学38

1.7 复合材料强度理论40

1.7.1 单方向长纤维和短纤维复合材料的混合物定律40

1.7.2 单层板的强度准则41

1.7.3 层合板的强度理论44

1.8 复合材料层合板的断裂力学46

1.8.1 各向异性板的线性断裂力学46

1.8.2 层合板的层间断裂和层间断裂韧性试验48

1.9 高分子基复合材料的疲劳57

1.10 复合材料的优化设计59

1.11 复合材料的力学性能60

1.11.1 热硬化性复合材料60

1.11.2 热塑性复合材料62

1.12 高分子基复合材料的应用63

1.12.1 高分子基复合材料在航空航天工业上的应用63

1.12.2 高分子基复合材料在其他工业产品上的应用64

参考文献65

第2章 金属基复合材料68

2.1 概要68

2.1.1 金属基复合材料的发展及应用前景68

2.1.2 金属基复合材料的分类69

2.2 增强纤维及其强度特性74

2.2.1 增强纤维的种类74

2.2.2 脆性纤维的强度特征77

2.2.3 纤维束强度理论79

2.2.4 增强纤维的其他特性81

2.3 复合法则及其修正82

2.3.1 复合法则的基本思想及表达式82

2.3.2 复合法则的应用及其修正82

2.4 复合材料的微观强度理论85

2.4.1 Rosen模型和Zweben模型85

2.4.2 应力集中法则87

2.4.3 复合材料微观强度理论的新发展88

2.4.4 纤维增强复合材料的强度和破坏的蒙特卡罗模拟90

2.5 纤维增强复合材料的强度可靠性93

2.5.1 复合材料的力学特征93

2.5.2 基体的强度特性对复合材料强度及其可靠性的影响94

2.5.3 界面剪切强度对复合材料强度及其可靠性的影响96

2.5.4 复合材料强度及其可靠性的尺寸效应99

2.5.5 复合材料界面剪切强度的分散性102

参考文献104

第3章 陶瓷基复合材料108

3.1 概要108

3.1.1 陶瓷基复合材料的发展史108

3.1.2 陶瓷基复合材料的分类108

3.1.3 陶瓷基复合材料的研究与开发现状109

3.1.4 陶瓷基复合材料的未来发展趋势110

3.2 增强体、基体和界面111

3.2.1 陶瓷纤维111

3.2.2 晶须、晶片和颗粒113

3.2.3 基体材料114

3.2.4 界面控制114

3.3 制造与加工方法115

3.3.1 粉末烧结法115

3.3.2 气体浸渗法115

3.3.3 液体浸渗法116

3.3.4 溶胶-凝胶浸渗法117

3.3.5 自蔓延高温合成法117

3.4 物理与化学性能118

3.4.1 热膨胀118

3.4.2 热传导118

3.4.3 氧化118

3.5 力学性能119

3.5.1 拉伸、压缩和剪切力学行为119

3.5.2 断裂韧性120

3.5.3 热冲击与机械冲击抗力121

3.5.4 疲劳121

3.5.5 蠕变123

3.6 应用125

参考文献126

第2部分 复合材料应用及新进展128

第4章 纳米复合材料128

4.1 纳米复合材料的发展及应用前景128

4.2 纳米复合材料的分类129

4.2.1 聚合物基纳米复合材料129

4.2.2 陶瓷基纳米复合材料130

4.2.3 金属基纳米复合材料131

4.3 聚合物基纳米复合材料和技术132

4.3.1 聚合物基纳米复合材料的制备132

4.3.2 聚合物基纳米复合材料的物理性能、力学性能改善和应用133

4.4 陶瓷基纳米复合材料和技术135

4.4.1 陶瓷基纳米复合材料的制备、物理性能和应用135

4.4.2 通过纳米复合的性能改善139

4.5 金属基纳米复合材料与技术142

4.5.1 金属基纳米复合材料的制备142

4.5.2 金属基纳米复合材料的力学性能、物理性能的改善和应用144

参考文献146

第5章 智能复合材料与构造150

5.1 智能复合材料与构造概述［1，2］150

5.2 智能材料的制作技术150

5.2.1 成型过程监控用传感元件及检测技术151

5.2.2 整体化技术153

5.3 智能材料的自诊断技术153

5.3.1 光导纤维自诊断技术［8］～［11］153

5.3.2 发射自诊断技术［12］～［17］154

5.3.3 电阻应变自诊断技术［23］158

5.4 自适应智能材料159

5.4.1 概述159

5.4.2 形状记忆合金(SMA)损伤抑制材料159

5.4.3 聚合物粒子损伤自修复材料［25］160

5.5 形状记忆树脂(SMP)基复合材料［26］～［30］161

5.5.1 概述161

5.5.2 SMP基射出成型复合材料162

5.5.3 耐冲击形状记忆树脂混合层合板163

参考文献164

第6章 功能梯度复合材料166

6.1 概述166

6.2 功能梯度材料的材料设计167

6.3 功能梯度材料的制备工艺168

6.3.1 喷涂法169

6.3.2 化学或物理气相沉积(CVD、PVD)法170

6.3.3 粉末堆积法170

6.3.4 泥浆法170

6.3.5 薄片叠层法171

6.3.6 熔融金属渗浸法171

6.4 功能梯度材料的评价方法171

6.5 功能梯度材料的应用172

6.5.1 高温材料173

6.5.2 切削工具174

6.5.3 生物医学材料175

6.5.4 光学材料175

6.5.5 介电和压电材料175

6.5.6 热电变换材料175

6.6 展望177

参考文献177

第7章 表面复合材料178

7.1 概论178

7.1.1 表面复合材料的概念178

7.1.2 表面复合材料的分类及其主要应用179

7.1.3 表面复合材料的发展前景180

7.2 表面复合材料的制造技术181

7.2.1 热喷涂法181

7.2.2 化学气相沉积法(CVD)182

7.2.3 物理气相沉积法(PVD)183

7.2.4 涂布烧结法183

7.2.5 LB方法(Langmuir-Blodgett法)184

7.2.6 电解重合法184

7.3 表面复合材料制备中的基础理论和数值模拟方法185

7.3.1 PVD法与CVD法的表面构造生成理论和数值模拟方法185

7.3.2 等离子热喷涂中的薄膜生成理论和数值模拟方法188

7.4 表面复合材料的性能评价方法191

7.4.1 微观结构组织的评价191

7.4.2 热物性的评价192

7.4.3 导电特性和光电特性的评价192

7.4.4 力学特性的评价193

7.5 结束语193

参考文献193

第8章 复合材料的界面力学和界面力学特性的评价196

8.1 界面切应力的提出196

8.1.1 界面的脱粘197

8.1.2 界面的滑移197

8.2 界面切应力的测定方法198

8.2.1 多重断裂法(Multiple Fracture Method)198

8.2.2 拔出法(Pull-out Method)200

8.2.3 推出法(Push-out Method)201

8.2.4 推入法(Push-in Method)202

8.2.5 突出法(Protrusion Method)204

8.3 界面剪切力学特性测定时的问题点205

8.3.1 关于界面剪切力学特性205

8.3.2 关于界面切应力的产生205

8.3.3 关于界面力学特性的控制206

8.4 小结206

参考文献206

第9章 高分子复合材料的再生技术与容易再生的复合材料208

9.1 环境问题与复合材料208

9.1.1 环境问题的现状208

9.1.2 再生利用的现状208

9.2 高分子及复合材料的再生技术209

9.2.1 废塑料的再生209

9.2.2 纤维增强复合材料的再生211

9.3 热塑性高分子复合材料212

9.3.1 研究现状212

9.3.2 再生特性213

9.4 注射成形加工213

9.4.1 成形条件及成形样品的内部结构213

9.4.2 成形样品的物性215

9.4.3 成形样品的高次结构217

9.5 内部结构和力学性能的相关性218

9.5.1 拉伸应力-应变曲线218

9.5.2 疲劳破坏特性220

9.6 压延工对材料特性的影响227

9.6.1 压延加工的特征227

9.6.2 微细结构及高次结构227

9.6.3 材料的力学性能229

参考文献231

第10章 挤压铸造法在金属基复合材料中的应用233

10.1 两种用于金属基复合材料的挤压铸造233

10.2 挤压铸造制备复合材料的增强体234

10.3 用于挤压铸造的预制件235

10.4 挤压铸造的工艺条件237

10.5 增强体与基体的界面反应及其控制方法239

10.6 结束语243

参考文献243

第11章 金属基复合材料的反应合成技术246

11.1 前言246

11.2 气-液反应合成技术246

11.2.1 气-液合成技术(VLS技术)246

11.2.2 熔体直接氧化技术(DIMOX技术)247

11.3 液-固反应合成技术248

11.3.1 放热弥散复合技术(XD技术)248

11.3.2 接触反应合成技术(CR技术)249

11.3.3 SHS-铸造复合技术(SHS-C技术)250

11.3.4 熔体浸渍技术(MI技术)250

11.3.5 液相接触反应涂层制备技术(CTCR技术)251

11.4 固-固反应合成技术252

11.4.1 自蔓延高温合成技术(SHS技术)252

11.4.2 直接还原技术(DR技术)254

11.4.3 机械合金化技术(MA技术)255

11.5 其他反应合成技术256

11.5.1 反应喷射沉积复合技术(RSD技术)256

11.5.2 反应结合技术(RB技术)258

11.5.3 化学气相沉积和浸渍复合技术(CVD和CVI技术)258

11.6 结束语259

参考文献259

第12章 金属基复合材料及其在汽车工业中的应用262

12.1 概述262

12.2 金属基复合材料的分类263

12.3 强化纤维的类型和性质264

12.4 复合材料的制作工艺265

12.5 铝基复合材料的性能266

12.5.1 颗粒增强铝基复合材料的力学性能和耐磨性266

12.5.2 Al2O3短纤维增强铝基复合材料的力学性能和耐磨性269

12.6 金属合基复合材料在汽车工业中的应用276

12.6.1 喷射冶金制作高硅铝合金复合材料276

12.6.2 复合材料局部增强铝活塞280

12.6.3 复合材料在其他汽车零件上的应用284

12.7 结束语285

参考文献285

第13章 树脂基复合材料在汽车工业中的应用288

13.1 汽车复合材料特点288

13.2 汽车复合材料及特性290

13.2.1 增强材料290

13.2.2 基体树脂294

13.2.3 热塑性复合材料的原材料及特性297

13.2.4 热塑性复合材料的性能297

13.2.5 玻璃纤维增强热塑性片材298

13.3 汽车复合材料常用成型工艺与特点299

13.3.1 手糊及喷射工艺(Hand Lay-up or Spray up)299

13.3.2 SMC/BMC(Sheet/bulk molding compound)工艺299

13.3.3 RTM(Resin Transfer Molding)工艺300

13.3.4 RIM(Reaction Injection Molding)工艺300

13.3.5 缠绕工艺(Filament Winding)300

13.4 国内外复合材料在汽车工业中的应用及发展趋势301

13.4.1 国外汽车复合材料的应用情况301

13.4.2 国内汽车复合材料的应用情况302

13.4.3 汽车复合材料的发展趋势303

13.5 汽车复合材料的产品实例305

参考文献308

第14章 中国复合材料科学的研究309

14.1 概况309

14.2 原材料的研究309

14.3 各种基体复合材料的研究310

14.4 复合材料的基础性研究310

14.5 复合材料前沿课题的研究312

参考文献313

编后语314

附录 三个单位简介315