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