多功能聚合物复合材料（第3卷）纳米材料的挑战与应用

1. 本书三卷本系统阐述了国际领先的复合材料加工原理、材料及其结构评价方法、加工方法及后处理技术、工业应用、发展趋势、多功能化方法和其他学术研究。 2.全书共三卷，内容丰富，在工艺方法、材料和应用及性能研究几方面系统叙述；在结构表征和学术前沿研究方面突出创新前沿。信息量巨大，分析透彻而简明，是难得的好书 3.本书详细介绍了多功能纳米聚合物复合材料领域的研究新进展，整理总结了在聚合物复合材料领域许多知名学者的研究成果，探讨了多功能聚合物复合材料领域的优势，介绍了多功能纳米聚合物复合材料在不同领域的应用； 4. 本书通过丰富的研究案例阐明了实现多功能纳米复合材料不同性能的组合方法，深入介绍了目前纳米复合材料的挑战与应用； 5. 本书是从事研究多功能纳米复合材料科技工作者的重要参考读物，可提供相关技术和实践的指导。

强度、刚度和韧性是系统结构科学和工程中决定材料能否得以应用的典型特性。多功能结构材料具有超出这些基本要求的属性。它们可以被设计成具有集成电、磁、光、机动、动力生成功能，以及可能与机械特性协同工作的其他功能。这种多功能结构材料可通过减小尺寸、重量、成本、电力供应、能耗和复杂性，由此提升效率、安全性和多功能性，因此具有巨大的影响结构性能的潜力。这意味着多功能系统无论从工业还是从基础的角度来看，都是一个重要的研究领域。它们可用于如汽车、航空航天工业、通信、土木工程和医学等诸多领域。适用材料的范围也很广，例如混合物、合金、凝胶和互穿聚合物网络，但在大多数情况下它们是基于聚合物基的复合材料。
聚合物复合材料是开发高强度、高刚度和轻量化的组合结构的先进材料。复合材料自然也适用于多功能性的概念，即材料可具备多种功能。这些功能通常是通过结构（负载或塑性）的方式附加一种或多种其他功能，例如能量存储（电容器或电池）、制动（控制位置或形状）、热管理（热屏蔽）、健康管理（感知损坏或变形）、屏蔽（免受电磁干扰辐射）、自我修复（自主响应局部损伤）、能量吸收（耐撞性）、信号传递（电信号）或电能传递。多功能结构可以通过消除或减少多个单功能组件的数量来实现显著减轻重量的效果。
近年来，一些作者已认识到多功能性在聚合物复合材料中的重要性，分别集中于某一特定方面，例如，仿生学领域中的多功能材料、纳米级多功能材料、用于多功能复合材料的形状记忆聚合物或其他重要的方面做了深入的研究。本书探讨了聚合物复合材料在多功能性领域的最新优势，包括力学、界面及热物理性质，制造技术和表征方法。同时，它将给读者留下许多工业领域的观点，其中多功能性是在各种领域中应用的重要因素。
全球有超过30组作者，其中许多人多年来在聚合物复合材料界广为人知，他们在各章中分享了聚合物复合材料多功能性方面的专业知识。本书不仅包括不同类型的聚合物基质，即从热固性材料到热塑性塑料和弹性体，还包括各种微纳米填料，例如从陶瓷纳米颗粒到碳纳米管，并与传统增强材料（如玻璃或碳纤维）进行结合。本书从运输、摩擦学、电气元件和智能材料及其未来发展趋势展开论述。
在第一部分中，K.Friedrich（德国）描述了在增强聚合物和复合结构中实现多功能性的可能途径。通过不同的案例研究进行了阐述，其中包括摩擦学方面的汽车部件、抗腐蚀的风能叶片和生物医学领域的训练材料。随后的章节介绍了Mohamed S.Aly-Hassan（日本）关于多功能复合材料应用的新视角，特别是具有定制导热性能的碳-碳复合材料，以及在降雪环境下的智能夹层屋顶。
第二部分侧重于讨论特殊基质、增强物和界面及其对各种复合材料的多功能行为产生的影响。Z.A.Mohd Ishak（马来西亚）和他的团队描述了天然纤维增强材料（特别是木纤维）在室内和室外建筑材料中的应用，尤其在阻燃性方面。Debes Bhattacharyya（新西兰）等人在他们关于“天然纤维：其复合材料及可燃性表征”的章节中也讨论了类似的应用。Suprakas Sinha Ray（南非）总结了由可生物降解的聚乳酸和纳米黏土组成的多功能纳米复合材料在当前的发展。Patricia M.Frontini（阿根廷）和António S.Pouzada（葡萄牙）等人也使用这种类型的增强材料用于可注塑聚烯烃的多功能性研究，其中特别注重加工、形貌和机械/热问题。Alessandra de Almeida Lucas（巴西）强调了膨胀石墨对聚合物纳米复合材料的改进，特别是在机械、阻隔、电气和热性能方面。Volker Altstdt（德国）小组讨论了泡沫芯材的多功能性，特别强调了热、声、电介质和冲击行为。S.S.Pesetskii（白俄罗斯）等人通过纳米和微米级填料增强来研究基于聚（对苯二甲酸亚烷基酯）的复合材料的反应增容，并提出了另一种基质的影响。对聚合物复合材料中多功能相间的分析和讨论部分由Shang-Lin Gao和Edith Mder（德国）总结为一章。
第三部分介绍了多功能材料的应用，并对上述四个选定领域进行了深入说明。运输领域始于Xiaosu Yi（中国）关于航空航天应用的多功能复合材料，特别是提高热固性复合材料层压板的韧性和抗冲击性方面的研究。Edson Cocchieri Botelho（巴西）等人将重点放在具有良好力学性能和特定微波透明度（如辐射）的轻型飞机部件上。U.P.Breuer和S.Schmeer（德国）强调了机身结构电气性能和抗损伤性能的结合。在Vassilis Kostopoulos（希腊）等人所写的章节中，介绍了在航空航天中通过在碳纤维复合层压板中结合纳米填料，如碳纳米管，来实现不同性质的组合。Mehrdad N.Ghasemi Nejhad（美国）也采用类似的概念，研发了用于汽车和航空航天工业的多功能分级纳米复合材料层压板，其中的关键词“纳米树脂基质”和“纳米森林纤维”起着特殊的作用。Rehan Umer（阿联酋）等人完成了这一领域的研究并单独成章，其中介绍了碳纳米管（CNT）和氧化石墨烯（GO）对聚合物复合材料多功能性的协同效应，预计可用于航空航天、汽车和其他技术领域。
在第1章1.3节的电气元件领域，Leif E.Asp（瑞典）等人提出用于电池和超级电容器的多功能复合材料。除了力学性能外，电化学和导电能力也是非常重要的。另一项与电池有关的贡献由Yiu-Wing Mai和Limin Zhou（澳大利亚、中国香港）提供，涉及锂离子电池的电纺纳米结构复合纤维阳极的应用。Vitaliy G.Shevchenko（俄罗斯）和合作伙伴总体上阐述了用于智能结构的多功能聚合物复合材料，然后在各种示例中展示了如何实现多功能性，并介绍了具有低可燃性、增强热性能和力学性能的新型热塑性电磁波屏蔽和吸收复合材料。该领域的最后，用于航空航天工业的多功能形状记忆合金（SMA）基复合材料由Michele Meo（英国）撰写。本章对前面提到的领域和下一领域之间起到连接作用，因为它结合了用于航空航天（如除冰）与智能材料应用中SMA的固有电气特性的使用，包括制动器功能。
应用的第三部分由关于智能材料和未来趋势的章节组成。Martin Gurka（德国）从形状记忆合金和碳纤维增强复合材料的活性杂化结构开始，应用于未来的制动器。接下来由Erik T.Thostenson（美国）等人撰写，他们专注于自感碳纳米管复合材料的加工和表征。其中机械、电气和其他物理特性是他们特别关注的。在关于自愈玻璃/环氧复合材料的章节中，感知局部损伤并尝试自我修复是Mingqiu Zhang团队（中国）的研究焦点。J.Karger-Kocsis（匈牙利）在研究形状记忆环氧树脂和复合材料时，提到了另一个智能的领域。L.Nicolais（意大利）和同事对具有定制光学特性的纳米复合材料展开了研究，通过使用在临界温度下改变颜色的热致变色填料来感测性质。在处理多功能聚合物/ ZnO纳米复合材料时，Hung-Jue Sue和Dazhi Sun（美国、中国）的章节也涉及光学、电子和光伏领域。作者强调了物理性质分布的分散质量。K.Schulte（德国）对如何提高聚合物基复合材料的多功能性给出了总体的看法，特别强调了陶瓷纳米粒子、碳纳米管和石墨烯。最后一章由Josef Jancar（捷克）编写，引入了“复合材料组学：用于结构和组织工程应用的多尺度分级复合材料”这一术语，强调了POSS的特殊用途。
在考虑整本书的内容时，很明显它主要面向学术界和工业界中对材料开发和特定应用寻找新的解决方案的科学家。因此，本书将成为那些已经成为或想要在多功能聚合物复合材料领域成为专业人士的读者的参考文献和实践指南。
通过编写本书，我们希望能够对多功能聚合物复合材料这一复杂技术领域的系统结构展开进一步研究。目前来看，为时不晚，然而这仅是第一次尝试涵盖过去几年一直处于快速发展过程中的研究。我们相信，在不久的将来，有关多功能聚合物复合材料的更多有趣的成果将在公开文献中公布。
最后，我们要感谢所有能够将他们的想法和成果纳入本专题图书的贡献者。我们也感谢许多其他广泛参与的在同行评审过程中做出贡献的科学家。这些审阅者包括：S.Y.Fu，M.Z.Rong，Z.Z.Yu（中国）；A.Dasari，S.Ramakrishna（新加坡）；G.Zaikov（俄罗斯）；H.J.Sue，T.W.Chou，D.O’Brien，W.Brostow，Z.Liang，N.Koratkar（美国）；G.W.Stachowiak，J.Ma，S.Bandyopadhyay（澳大利亚）；S.Thomas（印度）；N.M.Barkoula，D.E.Mouzakis（希腊）；Z.Denchev（葡萄牙）；D.Zenkert（瑞典）；D.Wagner（以色列）；M.Quaresimin（意大利）；A. S. Luyt（南非）；H.Hatta（日本）；F.Haupert，J.Schuster，M. Gurka，B. Fiedler，U. Breuer，S. Seelecke（德国）。

Klaus Friedrich
Ulf Breuer
2014年10月20日，凯泽斯劳滕

刘勇，北京化工大学材料学院高分子纳米复合材料实验室负责人，博士生导师。主要从事高分子及纳米复合材料制备与应用等研究。在特种高性能塑料应用、橡胶制品性能提升、塑料产品配方及工艺开发、特种功能纤维成型、静电纺丝制备超细纤维、净化甲醛及空气中PM2.5、燃料电池和太阳能电池器件制备、纳米纤维构筑生物医学器件等方面均有研究。迄今发表期刊文章一百多篇，专著2部，译著3部，获得授权专利53项。是Biofabrication, Polymer，RSC Advances, Advanced Science、化工学报等30多种中外期刊审稿人。曾获国家科技进步二等奖1项，省部级技术发明二等奖1项、专利优秀奖1项，北京市科学技术三等奖1项，市科委一等奖1项；是中国化学会会员，中国复合材料学会高级会员，英国皇家化学会会员，美国化学会会员，中关村科创纳米研究会副会长，国家自然科学基金通信评委，国家国际合作项目评审专家，教育部学位中心评审专家、国家科技支撑计划课题验收专家、政府采购设备评标专家，中国生物医学工程学会会员，中国中医药信息学会养生分会理事，全国石油和化工行业优秀科技工作者。

《多功能聚合物复合材料（第3卷）》详细介绍了多功能纳米聚合物复合材料领域的最新研究进展，包括力学、界面和热物理性能，制造技术和表征方法。作者整理总结了在聚合物复合材料领域许多知名学者的研究成果，探讨了多功能聚合物复合材料领域的最新趋势。本卷分为10章，介绍了多功能纳米聚合物复合材料在不同领域的应用，包括碳纳米管复合材料在航空航天领域的应用；碳纳米管和石墨烯的多功能高分子复合材料的性能研究；碳纳米管/纤维多尺度复合材料的加工及在传感方面的应用；纳米树脂及多层纳米复合材料的挑战；含金属的纳米复合材料的光学性质；耐磨损的透明的多功能聚合物纳米涂料；锂离子电池纳米结构复合纤维阳极的静电纺丝制备；含ZnO纳米颗粒的多功能聚合物纳米复合材料的制备新方法；纳米微粒改性基体的聚合物复合材料的机械、电、传感性能；多尺度多层纳米复合材料的组装及在结构材料中的应用等方面。通过案例研究阐明了如何实现多功能纳米复合材料不同性能的组合，深入介绍了目前纳米复合材料的挑战与应用。 
本卷系统地对多功能纳米复合材料进行了介绍，有案例分析，也有相关的专业知识。本卷是从事研究多功能纳米复合材料科技工作者的重要参考读物，可提供相关技术和实践的指导。本卷主要面向寻求解决新材料开发和特定应用方案的专业学者，也适合对多功能纳米复合材料领域感兴趣的科研人员和学生使用。

第1章航空航天领域的多功能碳纳米管基纳米复合材料1
1.1引言1
1.2复合材料多尺度增强的系统图解5
1.3复合材料损伤容限的扩大10
1.4纳米增强复合材料的导电性17
1.5纳米复合材料多功能性示范23
1.6结论与展望31
参考文献32

第2章多功能多层纳米复合材料在汽车和航空领域的应用37
2.1引言37
2.2纳米树脂纳米复合材料40
2.2.1纳米树脂纳米复合材料的挑战40
2.2.2纳米树脂纳米复合材料用纳米材料41
2.3多层纳米复合材料47
2.3.1纳米粒子-纳米树脂多层纳米复合材料48
2.3.2纳米黏土-纳米树脂多层复合材料50
2.3.3纳米管/纳米片-纳米树脂多层纳米复合材料52
2.4多功能多层纳米复合材料53
2.4.1MHNs与毛绒纤维53
2.4.2MHNs与纳米刷54
2.4.3MHNs与纳米制剂56
2.5多尺度MHNs59
2.6结论60
参考文献61

第3章碳纳米管和石墨烯对聚合物复合材料多功能性的协同作用68
3.1前言68
3.2通过石墨烯氧化物片材来分散碳纳米管氧化物69
3.3分子动力学模拟72
3.4CNT-GO/PVA复合材料的力学性能74
3.5碳纳米管GO/环氧复合材料的力学性能77
3.6多功能性的CNT-GO/环氧复合材料81
3.7结论85
致谢85
参考文献85

第4章耐磨损的透明多功能聚合物纳米涂料88
4.1介绍88
4.2实验89
4.3结果与讨论89
4.3.1纳米颗粒在涂料样品中的分散度89
4.3.2纳米涂料样本的光学性质90
4.3.3纳米复合材料涂层的表面力学性能92
4.3.4纳米复合涂料的耐磨性94
4.3.5纳米复合涂料的腐蚀耐磨性95
4.4总结99
致谢99
参考文献100

第5章锂离子电池的高性能静电纺丝纳米结构复合纤维阳极102
5.1引言102
5.2碳104
5.2.1储锂机理104
5.2.2新型大容量电纺碳纳米结构106
5.3合金109
5.3.1硅109
5.3.2锡111
5.3.3锗111
5.4金属氧化物112
5.4.1锂合金反应机理112
5.4.2插入反应机理113
5.4.3转化反应机理115
5.5静电纺丝复合纤维阳极在实际电池中面临的挑战121
5.6结论121
致谢122
参考文献122

第6章自感碳纳米管复合材料的加工与表征128
6.1介绍：多功能碳纳米管复合材料128
6.2纳米管/纤维多尺度复合材料的加工131
6.2.1弥散/灌注的处理方法131
6.2.2直接混合的处理方法133
6.3碳纳米管-传感基复合材料136
6.3.1微损伤传感137
6.3.2局部冲击损伤传感140
6.3.3接头损伤传感143
6.3.4纳米管纤维和皮肤传感145
6.3.5热转换和热化学变化的原位传感145
6.4结论149
致谢150
参考文献150

第7章纳米复合材料的定制光学特性155
7.1功能性和多功能纳米复合材料155
7.2纳米结构在嵌入式聚合物中的结构156
7.3多功能纳米复合材料的应用158
7.4结论166
参考文献166

第8章多功能聚合物/ZnO纳米复合材料：可控分散与物理性能168
8.1引言168
8.2ZnO纳米颗粒的合成与表征169
8.2.1胶体ZnO纳米颗粒的制备与纯化169
8.2.2ZnO纳米颗粒的表征169
8.3无机分散剂的制备170
8.4直接溶液混合法171
8.4.1ZnO纳米颗粒与PMMA的溶液混合171
8.4.2直接混合在PMMA中的ZnO纳米颗粒的分散性表征171
8.4.3直接溶液混合所得PMMA/ZnO纳米复合膜的光学性能172
8.4.4直接溶液混合所得PMMA/ZnO纳米复合膜的热稳定性172
8.5片状纳米微粒辅助的混合法173
8.5.1ZnO纳米颗粒与ZrP片状纳米微粒在环氧树脂基体中的混合173
8.5.2ZrP片状纳米微粒辅助的ZnO纳米颗粒在环氧树脂基体中分散性的表征174
8.5.3可控纳米微粒分散的多功能环氧树脂/ZnO纳米复合材料的光学吸收175
8.5.4可控纳米微粒分散的多功能环氧树脂/ZnO纳米复合材料的光致发光性能178
8.5.5ZrP片状纳米微粒分散的多功能PMMA/ZnO纳米复合材料179
8.6结论182
致谢182
参考文献183

第9章纳米微粒改性基体的聚合物复合材料的新功能184
9.1引言184
9.2碳基纳米颗粒185
9.3纳米复合材料性能186
9.3.1力学性能186
9.3.2电性能187
9.3.3传感性能188
9.4纤维增强复合材料193
9.4.1碳纳米微粒填充基体的纤维增强聚合物193
9.4.2用纳米碳粒子改性基质传感199
9.5总结206
致谢206
参考文献206

第10章复合材料学：结构和组织工程用多尺度多层复合材料209
10.1引言209
10.2材料学：多层级多功能复合材料结构研究210
10.3多层纳米复合材料的特性213
10.3.1纳米和微米尺度的界面/界面层215
10.3.2不同尺度上的增强机理218
10.3.3粒子分散效应221
10.4多层复合材料超结构的组装技术227
10.4.1自组装227
10.4.2控制组装231
10.5纳米尺度的构建模块232
10.5.1合成纳米级构建模块的制备232
10.5.2POSS基纳米级构建模块234
10.5.3POSS的合成234
10.5.4POSS性能235
10.5.5聚合物中的POSS236
10.5.6纳米级构建模块自组装238
10.6结论239
参考文献240