中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)新材料叢書是中國材料研究學(xué)會組織編寫的,被新聞出版廣電總局批準(zhǔn)為十二五國家重點出版物出版規(guī)劃項目,并獲2016年度國家出版基金資助。叢書共16分冊,涵蓋了新型功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、高性能纖維復(fù)合材料等16種重點發(fā)展材料。本分冊為《纖維復(fù)合材料》。本書比較全面地反映了目前高性能纖維復(fù)合材料的整體概況、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,著重論述了高性能纖維復(fù)合材料的基本知識、性能特點、新制備技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景。全書共分9章,主要內(nèi)容包括復(fù)合材料理論基礎(chǔ)、復(fù)合材料力學(xué)性能及測試方法、復(fù)合材料成型工藝、低成本制備技術(shù)、高性能熱塑性復(fù)合材料先進制造技術(shù)、復(fù)合材料的回收與利用,以及發(fā)展高性能纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義。本書內(nèi)容先進,可供從事新材料研究院所、高等院校、新材料產(chǎn)業(yè)界、政府相關(guān)部門、新材料中介咨詢機構(gòu)等領(lǐng)域人員參考,也可作為高等院;瘜W(xué)、材料類專業(yè)本科和研究生教材。
該叢書為國內(nèi)一部系統(tǒng)論述我國新材料發(fā)展戰(zhàn)略的系統(tǒng)性科技系列著作;中國材料研究學(xué)會組織編寫,各分冊作者均為國內(nèi)*專家;內(nèi)容突出新字,即:當(dāng)代新材料的新概念、新技術(shù)、新工藝、新成果、新應(yīng)用、新趨勢等,代表了全球新材料發(fā)展的主流。入選十二五國家重點出版物出版規(guī)劃項目,獲2016年度國家出版基金資助。
中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)新材料叢書由中國材料研究學(xué)會組織編寫,被新聞出版廣電總局批準(zhǔn)為十二五國家重點出版物出版規(guī)劃項目。
根據(jù)國務(wù)院《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》,新材料被列為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。本叢書定位為:從戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的高度,著重論述該類新材料在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)重大工程和項目中的地位和作用、技術(shù)基礎(chǔ)、zui新研究成果、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景。其特點是體現(xiàn)一個新字,即在遵守國家有關(guān)保密規(guī)定的前提下論述當(dāng)代新材料的zui先進的工藝和zui重要的性能。它代表當(dāng)代全球新材料發(fā)展主流,對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。叢書共16分冊,涵蓋了新型功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、高性能纖維復(fù)合材料等16種重點發(fā)展材料。本分冊為《纖維復(fù)合材料》。
纖維復(fù)合材料相對于傳統(tǒng)材料輕而強,被廣泛應(yīng)用于航空航天材料以使得飛行器飛得更遠(yuǎn)更高。隨著人類社會文明的巨大進步,全球暖化形勢變得更加嚴(yán)峻,日益增長的節(jié)能減排需求為纖維復(fù)合材料的發(fā)展帶來了新的機遇。隨著碳纖維等高性能纖維及復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的發(fā)展,高性能纖維復(fù)合材料也開始應(yīng)用于軌道交通、汽車等纖維復(fù)合材料非傳統(tǒng)領(lǐng)域。同時,纖維復(fù)合材料也通過集成傳感、驅(qū)動、計算和通信等功能實現(xiàn)智能化而拓展出嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域。本書比較全面地反映了高性能纖維復(fù)合材料的整體概況、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,論述高性能纖維復(fù)合材料理論基礎(chǔ)、性能特點、新制備技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。編著者著眼于未來大規(guī)模應(yīng)用纖維復(fù)合材料所存在的難點,包括復(fù)合材料界面、低成本技術(shù)、快速成型、回收利用等,并結(jié)合zui新的進展和編著者的科研成果,進行了詳細(xì)論述。
本書由東華大學(xué)朱美芳教授和上海大學(xué)朱波教授等人編著。參與本書編著的人員大都是國內(nèi)相應(yīng)領(lǐng)域的專家學(xué)者。各章節(jié)編著分工如下:第1章由東華大學(xué)魏毅編著;第2章2.1節(jié)由東華大學(xué)吳琪琳、朱美芳編著;第2章2.2、2.4節(jié)由東華大學(xué)黃振振、上海大學(xué)朱波編著;第2章2.3節(jié)由東華大學(xué)張亞瓊、上海大學(xué)朱波編著;第2章2.5.1、2.5.2節(jié)由東華大學(xué)秦宗益編著;第2章2.5.3節(jié)由東華大學(xué)黃振振、上海大學(xué)朱波編著;第2章2.6節(jié)由東華大學(xué)巨安奇、朱美芳編著;第3章由東華大學(xué)王彥、朱美芳編著;第4章由東華大學(xué)劉勇、朱美芳編著;第5章由東華大學(xué)孫寶忠編著;第6章由東華大學(xué)王彪編著;第7章由東華大學(xué)何勇、上海大學(xué)朱波編著;第8章由東華大學(xué)呂永根編著;第9章由東華大學(xué)張亞瓊、上海大學(xué)朱波編著。全書由朱美芳、朱波統(tǒng)稿定稿。
由于編著者水平有限,紕漏之處在所難免,殷切希望讀者批評指正。
編著者
2017年6月
朱美芳,東華大學(xué)與德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士,教授,博士生導(dǎo)師,東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、聚合物纖維及納米復(fù)合材料專業(yè)教授,第七屆中國青年女科學(xué)家獎(2010年度)獲得者、長江學(xué)者特聘教授。朱波,博士,現(xiàn)任東華大學(xué)教授,2014年入選上海千人計劃。2001年9月畢業(yè)于日本國立東京工業(yè)大學(xué)并獲授工學(xué)博士學(xué)位。研究方向包括仿生有機導(dǎo)電材料制備、納米組裝及其生物電子器件等的應(yīng)用研究。
第1章緒論1
1.1纖維增強復(fù)合材料的概念1
1.1.1按照基體材料劃分3
1.1.2按照纖維劃分3
1.1.3按照使用領(lǐng)域劃分4
1.1.4按照使用層級或歷史劃分4
1.1.5按照復(fù)合材料使用形態(tài)劃分4
1.2纖維增強復(fù)合材料的發(fā)展歷程5
1.2.1復(fù)合材料科學(xué)與應(yīng)用的成型階段5
1.2.2復(fù)合材料科學(xué)與應(yīng)用的成型階段6
1.2.3復(fù)合材料的發(fā)展與壯大7
1.2.4復(fù)合材料的成熟與普及9
1.2.5復(fù)合材料發(fā)展年代譜及區(qū)域發(fā)展特征10
1.3纖維增強復(fù)合材料的特點11
1.3.1復(fù)合材料的物理機械性能特征11
1.3.2復(fù)合材料的應(yīng)用局限與改進方向14
1.4纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用15
1.4.1航空應(yīng)用15
1.4.2航天應(yīng)用19
1.4.3其他軍事應(yīng)用21
1.4.4汽車和軌道交通應(yīng)用23
1.4.5能源應(yīng)用26
1.4.6體育休閑用品應(yīng)用27
1.4.7海洋應(yīng)用27
1.4.8基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用28
1.5先進復(fù)合材料的發(fā)展前景展望29
1.5.1復(fù)合材料設(shè)計和模擬發(fā)展前景展望30
1.5.2材料科學(xué)的發(fā)展前景展望31
1.5.3制造工程的發(fā)展前景展望33
1.5.4應(yīng)用領(lǐng)域和市場的發(fā)展前景展望34
參考文獻36
第2章增強纖維及基體材料37
2.1增強纖維37
2.1.1碳纖維37
2.1.2芳香族聚酰胺纖維(芳綸)44
2.1.3高強高模聚乙烯纖維47
2.1.4天然纖維51
2.1.5硼纖維55
2.1.6陶瓷纖維61
2.2基體材料簡述66
2.2.1熱固性樹脂66
2.2.2熱塑性樹脂66
2.2.3金屬基體67
2.2.4陶瓷基體67
2.3熱固性樹脂67
2.3.1不飽和聚酯樹脂67
2.3.2環(huán)氧樹脂69
2.3.3乙烯基酯樹脂70
2.3.4雙馬來酰亞胺樹脂71
2.3.5熱固性聚酰亞胺72
2.3.6氰酸酯樹脂73
2.4熱塑性樹脂74
2.4.1聚醚醚酮74
2.4.2聚苯硫醚75
2.4.3聚砜75
2.4.4熱塑性聚酰亞胺75
2.5纖維表面處理76
2.5.1碳纖維表面處理76
2.5.2玻璃纖維表面處理83
2.5.3芳綸纖維表面處理86
2.6纖維與基體的復(fù)合技術(shù)91
2.6.1預(yù)浸料91
2.6.2片狀模壓料95
2.6.3熱塑性基體與纖維的復(fù)合99
參考文獻103
第3章纖維增強復(fù)合材料的理論基礎(chǔ)110
3.1復(fù)合材料的界面理論和界面控制110
3.1.1聚合物基復(fù)合材料的界面112
3.1.2金屬基復(fù)合材料的界面116
3.1.3陶瓷復(fù)合材料的界面118
3.1.4復(fù)合材料的界面控制119
3.2復(fù)合材料的復(fù)合理論122
3.2.1單向連續(xù)纖維增強復(fù)合材料122
3.2.2短纖維增強原理128
3.3復(fù)合材料的設(shè)計及強度130
3.3.1單層失效準(zhǔn)則131
3.3.2單層的強度比方程133
3.3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計133
3.3.4接頭設(shè)計143
參考文獻145
第4章復(fù)合材料力學(xué)性能及測試方法147
4.1復(fù)合材料中組分的力學(xué)性能147
4.1.1纖維的力學(xué)性能147
4.1.2基體的力學(xué)性能149
4.1.3纖維與基體界面力學(xué)性能149
4.2復(fù)合材料力學(xué)性能測試150
4.2.1復(fù)合材料的拉伸性能151
4.2.2復(fù)合材料的彎曲性能152
4.2.3復(fù)合材料的剪切性能153
4.2.4復(fù)合材料的壓縮性能154
4.2.5復(fù)合材料的蠕變性能155
4.2.6復(fù)合材料的疲勞性能156
4.2.7復(fù)合材料的沖擊性能158
參考文獻159
第5章復(fù)合材料成型工藝160
5.1復(fù)合材料成型簡介160
5.2手糊成型161
5.3模壓成型164
5.3.1模壓成型工藝的特點和分類165
5.3.2短纖維模壓料模壓成型165
5.3.3片狀模壓料模壓成型166
5.3.4BMC工藝168
5.4拉擠成型170
5.4.1拉擠成型工藝170
5.4.2工藝控制172
5.4.3拉擠設(shè)備173
5.4.4拉擠產(chǎn)品的應(yīng)用174
5.5纖維纏繞175
5.5.1纏繞工藝175
5.5.2纏繞工藝的分類177
5.5.3纏繞規(guī)律分類178
5.6液態(tài)成型工藝180
5.6.1液體成型基本工藝180
5.6.2樹脂傳遞模塑成型181
5.6.3真空輔助RTM成型及其他液體成型工藝184
5.7其他復(fù)合材料成型工藝185
參考文獻188
第6章樹脂基復(fù)合材料的低成本制備技術(shù)190
6.1低溫固化復(fù)合材料技術(shù)190
6.1.1低溫固化復(fù)合材料樹脂基體191
6.1.2低溫固化復(fù)合材料成型技術(shù)195
6.2復(fù)合材料液態(tài)成型技術(shù)197
6.2.1樹脂傳遞模塑成型198
6.2.2真空輔助樹脂傳遞模塑198
6.2.3樹脂浸漬模塑成型工藝199
6.2.4樹脂膜滲透成型工藝200
6.2.5結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑成型200
6.3復(fù)合材料纏繞與自動鋪放技術(shù)201
6.3.1復(fù)合材料纏繞技術(shù)201
6.3.2復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)204
6.3.3復(fù)合材料自動鋪絲技術(shù)207
6.4電子束固化復(fù)合材料技術(shù)209
6.4.1電子束固化復(fù)合材料技術(shù)概述209
6.4.2電子束固化復(fù)合材料技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況210
6.53D打印技術(shù)210
6.5.1立體光固化技術(shù)211
6.5.2熔融沉積成型212
6.5.3選擇性激光燒結(jié)成型214
參考文獻215
第7章高性能熱塑性復(fù)合材料先進制造技術(shù)220
7.1熱塑性樹脂和碳纖維的基本復(fù)合方法222
7.1.1溶液浸漬法222
7.1.2薄膜層壓法222
7.1.3纖維混合法222
7.1.4粉末混合法222
7.1.5熔融浸漬法223
7.1.6熔融拉擠法223
7.2熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的基本成型技術(shù)223
7.2.1熱壓罐成型工藝223
7.2.2模壓成型工藝224
7.2.3纏繞成型工藝224
7.2.4拉擠成型工藝225
7.3熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)的zui新進展225
7.3.1長碳纖維增強熱塑性樹脂復(fù)合材料的成型技術(shù)225
7.3.2連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料:熱塑性樹脂轉(zhuǎn)移模塑
成型工藝(TRTM)227
7.3.3連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的自動鋪放成型技術(shù)230
參考文獻232
第8章復(fù)合材料的回收與利用236
8.1物理回收法236
8.1.1粉碎回收法237
8.1.2電磁分離法239
8.1.3重熔再生法239
8.2化學(xué)回收法239
8.2.1熱解法240
8.2.2催化裂解法243
8.2.3溶劑法243
8.2.4其他方法244
8.3能量回收法244
參考文獻246
第9章發(fā)展高性能纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義249
9.1高性能復(fù)合材料在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中的地位249
9.1.1能源利用250
9.1.2航天航空領(lǐng)域250
9.1.3汽車和軌道交通250
9.1.4體育休閑用品250
9.2我國高性能纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢251
9.2.1我國高性能纖維復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀251
9.2.2高性能纖維復(fù)合材料發(fā)展趨勢252
9.3總結(jié)254
參考文獻254