精密机床用钼纤维增强树脂基复合材料

本书主要介绍了精密机床用钼纤维增强树脂基复合材料的制备工艺及其优越性。本书具有以下特点： （1）前言技术，顺应发展形势 传统的铸铁或钢的机床构件在动态性能及热稳定性方面已不能满足高速、高精密加工技术要求，而阻尼减振性能优良的钼纤维增强树脂基复合材料不仅是新型机床构件的理想材料，而且符合绿色制造的发展形式。 （2）内容丰富，体系完整 采用理论分析、实验验证及数值模拟相结合的方法，以钼纤维-环氧树脂基体复合材料为体系，以提高树脂基复合材料抗压、抗弯强度为目标，系统介绍了复合材料在不同受力状态下的界面应力传递及分布机制，深入分析了基体性能、纤维性能、纤维细观结构特征等对复合材料细观及宏观力学性能的影响，研发出了性能优良的钼纤维增强树脂基复合材料。并以精密雕铣机床床身为例进行有限元模拟，对比研究树脂基复合材料床身和铸铁床身的静、动态性能，验证了采用树脂基复合材料制造机床基础构件的优越性以及取代铸铁材料的可行性。

我国机床基础构件大多是由铸铁铸造或钢材焊接而成，铸铁或钢的生产过程对环境污染严重，制备周期也较长，不太符合绿色制造的发展趋势，并且其阻尼减振性能接近极值，在动态性能及热稳定性方面不能很好地满足高速、高精密加工技术要求。本书提出将树脂基复合材料用于制造高速、高精密加工机床及激光、医疗等设备的基础构件，并以“理论分析—实验验证—数值模拟—应用实例”为研究主线，以基体性能、纤维性能、纤维形状等为研究对象，以提高树脂基复合材料抗压、抗弯强度为研究目标，开发出性能优良的钼纤维增强树脂基复合材料。最后以精密雕铣机床床身为例进行数值模拟，验证了树脂基复合材料制造机床基础构件的优越性以及取代铸铁材料的可行性。
本书共分为6 章。第1 章主要介绍了钼纤维增强树脂基复合材料的特点、研究现状、组分构成及制备工艺。第2 章在研究树脂基复合材料界面作用机理的基础上，系统分析了埋置状态和拉拔状态下的钼纤维-基体界面应力传递机制。第3 章深入探讨了树脂固化剂配比对基体固化物的力学性能、润湿性能、界面黏结强度以及对复合材料力学强度的影响，建立了界面黏结强度与黏附功的关系。第4 章介绍了新、旧钼纤维以及5 种改性钼纤维结构和性能的变化及差异，系统研究了纤维表面粗糙度、纤维性能对界面黏结强度、润湿性能以及对复合材料力学性能的影响，并通过有限元仿真对比分析了新、旧钼纤维对树脂基体的增强效果。第5 章构建了异形钼纤维拉拔理论模型，推导出异形纤维最大拉拔载荷的通用计算公式，获取纤维形状对界面黏结强度的影响规律，系统研究纤维含量、纤维形状对树脂基复合材料力学强度的影响，并对异形纤维增强基体进行了数值模拟。第6 章基于建立的铸铁与树脂基复合材料精密雕铣机床床身有限元模型，完成了两种材料床身的静、动态性能分析与对比，并根据分析结果对床身结构进行改进及优化，及时调整机床模态、避免共振。
将钼纤维应用于树脂基复合材料是一个新的研究领域，而将树脂基复合材料应用于机床基础件也是近些年才出现的研究热点，相信其必将推动复合材料、机床及制造装备行业向更高、更深层次发展。本书取材新颖、内容丰富、深入浅出，可为从事复合材料与机床基础制造装备技术相关的科研工作者提供帮助。
本书在写作过程中，参考了书后所列的参考文献，在此向各参考文献的作者表示衷心的感谢。特别感谢指导、关心、帮助作者研究工作的恩师张建华教授。感谢济南纳诺精密机械有限公司为本书的实验研究提供了便利的实验条件。
由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。

著者

本书以钼纤维-树脂基体为研究体系,系统研究基体性能、纤维性能、纤维细观结构特征等对钼纤维增强树脂基复合材料细观及宏观力学性能的影响,通过理论分析、实验验证及数值模拟相结合的方法研究出高性能复合材料配方及制备工艺,并以精密雕铣机床床身为例进行数值模拟。与铸铁材料床身相比,用钼纤维增强树脂基复合材料作精密雕铣机床床身可有效减少机床振动及变形,提高机床加工精度及整机综合水平,降低能源消耗,对于推动数控机床及相关先进制造技术的发展具有重要的理论与现实意义。
本书可作为高等院校从事复合材料、机床基础制造装备技术等研究的科研人员及相关专业学生的参考用书,也可作为复合材料研究、生产、管理和应用的各类技术人员的参考书。

第1 章　树脂基复合材料                  1
　1.1　树脂基复合材料的特点及研究现状             2
 1.1.1　树脂基复合材料的特点                2
 1.1.2　国外研究现状                    3
 1.1.3　国内研究现状                    5
　1.2　钼纤维增强树脂基复合材料的组分构成与制备工艺      6
 1.2.1　骨料系统                      6
 1.2.2　树脂系统                      8
 1.2.3　增强纤维                      11
 1.2.4　钼纤维增强树脂基复合材料的制备工艺         12
　1.3　树脂基复合材料力学性能表征               13
 1.3.1　细观力学性能表征                  13
 1.3.2　宏观力学性能表征                  18

第2 章　钼纤维增强树脂基复合材料界面应力传递机制     21
　2.1　树脂基复合材料界面作用机理               22
　2.2　埋置状态下的钼纤维-基体应力传递机制          24
 2.2.1　理想钼纤维增强基体应力传递和轴向弹性模量预测   24
 2.2.2　考虑纤维末端应力的钼纤维增强基体应力传递      28
 2.2.3　应力分布有限元分析                 29
　2.3　拉拔状态下的钼纤维-基体应力传递机制          30
 2.3.1　钼纤维黏结/脱黏时的应力分布            31
 2.3.2　纤维细观结构参数对应力分布的影响          34

第3 章　基体对钼纤维增强树脂基复合材料力学性能影响    39
　3.1　界面黏结强度测试方法                  40
 3.1.1　微脱黏法                      40
 3.1.2　单纤维拉拔法                    41
 3.1.3　纤维临界长度断裂法                 42
　3.2　润湿理论及表征                     44
 3.2.1　接触角                       44
 3.2.2　表面自由能与黏附功                 44
　3.3　基体润湿性能                      47
 3.3.1　黏附功测试                     47
 3.3.2　树脂固化剂配比对润湿性的影响            48
　3.4　基体力学性能                      50
 3.4.1　基体单轴拉伸力学性能测试              50
 3.4.2　树脂固化剂配比对基体力学性能的影响         53
　3.5　树脂固化剂配比对界面黏结性能的影响           58
 3.5.1　钼纤维-基体界面黏结强度测试            58
 3.5.2　钼纤维-基体界面黏结性能              59
 3.5.3　钼纤维-基体界面黏结强度与黏附功关系初探      61
　3.6　钼纤维增强树脂基复合材料力学性能            62
 3.6.1　钼纤维增强树脂基复合材料力学强度测试        62
 3.6.2　树脂固化剂配比对钼纤维增强树脂基复合材料力学性能影响  63
　3.7　钼纤维增强树脂基复合材料载荷-应变研究         66
 3.7.1　树脂基复合材料载荷-应变测试            66
 3.7.2　树脂基复合材料典型测点载荷-应变分析        68
 3.7.3　树脂基复合材料典型测点载荷-应变有限元分析     72

第4 章　纤维表面性能对钼纤维增强树脂基复合材料力学性能影响   76
　4.1　表面处理对钼纤维结构和性能的影响            77
 4.1.1　酸化处理对钼纤维结构和性能影响           77
 4.1.2　气相氧化处理对钼纤维结构和性能影响         79
 4.1.3　偶联处理对钼纤维结构和性能影响           81
　4.2　新、旧钼纤维表面形貌AFM 分析             84
 4.2.1　新、旧钼纤维表面粗糙度测试             84
 4.2.2　新、旧钼纤维表面粗糙度分析             85
　4.3　基体润湿性能                      88
 4.3.1　黏附功测试                     88
 4.3.2　纤维表面性能对润湿性影响              88
　4.4　纤维拉伸强度                      90
 4.4.1　单根钼纤维拉伸强度测试               90
 4.4.2　纤维表面性能对拉伸强度影响             91
　4.5　纤维表面性能对界面黏结性能的影响            92
 4.5.1　钼纤维-基体界面黏结强度测试            92
 4.5.2　新、旧钼纤维-基体界面黏结性能           92
 4.5.3　改性钼纤维-基体界面黏结性能            93
 4.5.4　钼纤维-基体界面黏结强度与黏附功关系分析      97
　4.6　纤维表面性能对树脂基复合材料力学强度影响        99
 4.6.1　钼纤维增强树脂基复合材料力学强度测试        99
 4.6.2　新、旧钼纤维对树脂基复合材料力学强度影响      99
 4.6.3　改性钼纤维对树脂基复合材料力学强度影响      102
　4.7　新、旧钼纤维增强基体有限元分析            103
 4.7.1　有限元模型的建立                 103
 4.7.2　强界面结合状态下仿真结果及分析          106
 4.7.3　弱界面结合状态下仿真结果及分析          109

第5 章　纤维形状对钼纤维增强树脂基复合材料力学性能影响   112
　5.1　纤维形状分类                     113
　5.2　异形钼纤维拉拔理论模型                113
 5.2.1　拉拔模型的建立                  114
 5.2.2　异形钼纤维最大拉拔载荷的计算           115
 5.2.3　计算结果与分析                  116
　5.3　钼纤维拉拔脱黏过程                  118
 5.3.1　直线形钼纤维拉拔脱黏过程             118
 5.3.2　异形钼纤维拉拔脱黏过程              120
　5.4　纤维形状对界面黏结强度的影响             122
 5.4.1　异形钼纤维-基体界面黏结强度测试          122
 5.4.2　异形钼纤维-基体界面黏结性能            123
　5.5　异形钼纤维增强树脂基复合材料力学强度         127
 5.5.1　异形钼纤维增强树脂基复合材料强度测试       127
 5.5.2　纤维含量对树脂基复合材料力学强度的影响      128
 5.5.3　纤维形状对树脂基复合材料力学强度的影响      130
　5.6　异形钼纤维增强基体有限元分析             131
 5.6.1　有限元模型的建立                 131
 5.6.2　仿真结果及分析                  132

第6 章　树脂基复合材料精密雕铣机床床身静、动态性能分析及优化   135
　6.1　精密雕铣机床床身设计                 136
　6.2　精密雕铣机床床身受力分析               138
 6.2.1　工件-工作台-导轨受力分析             138
 6.2.2　横梁-立柱受力分析                 140
 6.2.3　龙门座螺栓组连接受力分析             141
　6.3　树脂基复合材料精密雕铣机床床身静力学分析及结构优化   142
 6.3.1　床身有限元模型的建立               142
 6.3.2　静力学仿真结果及分析               144
 6.3.3　树脂基复合材料床身结构优化            150
　6.4　树脂基复合材料精密雕铣机床床身动态性能分析      156
 6.4.1　精密雕铣机床床身模态分析             156
 6.4.2　精密雕铣机床床身谐响应分析            165

参考文献                          171