多功能聚合物复合材料（第2卷）面临的挑战与应用案例

《多功能聚合物复合材料（第2卷）》详细介绍了多功能复合材料领域的最新研究进展。作者整理总结了在多功能复合材料领域许多知名学者的研究成果，探讨了多功能复合材料领域的最新趋势。全卷共11章，通过案例研究阐明了如何实现多功能复合材料不同性能的组合，深入介绍了多功能复合材料在不同领域的具体应用。具体包括碳纤维聚合物复合材料在航空航天领域的应用，如何实现层间增韧以及多功能化的夹层技术；不同纤维增强环氧树脂的机械和微波相互作用性能；纳米石棉有机制动材料面临的挑战；有自愈功能的环氧树脂复合材料的摩擦学性能；多功能结构电池和超级电容器复合材料面临的工程与系统问题；多功能电磁波吸收和阻燃材料的制备；多功能形状记忆合金基复合材料的性能；形状记忆环氧树脂和复合材料的近期进展及未来趋势等方面。
本书系统地对多功能复合材料进行了介绍，有案例分析，也有相关的专业知识。本书是从事研究多功能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。本书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，也适合对多功能复合材料领域感兴趣的技术人员和学生使用。

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。

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.本书汇集聚合物复合材料领域许多知名学者的研究成果及其优势，深入探讨聚合物复合材料多功能化以及影响材料多功能行为的因素,所涉及的内容均是多方面专家多年研究的总结，也是当前科研领域的热点，不仅对了解多功能复合材料的原理、表征、现状有益，也对掌握前言知识，理解相关方法的原理，进行吸收利用或再创新都大有裨益。 4. 本书通过案例研究阐明了实现多功能复合材料不同性能的组合方法，深入介绍了多功能复合材料在不同领域的具体应用； 5. 本书是从事研究多功能聚合物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Ming qiu 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

第1章多功能复合材料在航空航天领域的应用进展1
1.1引言、目的和技术挑战1
1.2如何提高复合材料的强度和抗冲击性能4
1.2.1环氧复合材料6
1.2.2BMI复合材料12
1.2.3技术规模化发展17
1.3如何在RTM复合材料中实现层间增韧18
1.3.1可RTM的环氧树脂基复合材料18
1.3.2BMI基复合材料21
1.3.3ESTM-Fabrics的预成型增韧技术26
1.4多功能化的夹层技术29
1.4.1聚合物层间法29
1.4.2纤维纱层间法33
1.5概括和总结39
致谢41
参考文献41

第2章轻质结构复合材料的电磁效应45
2.1引言45
2.2湿度对力学性能的影响46
2.2.1强度和硬度性质48
2.3微波-吸收性质49
2.3.1插入天线51
2.3.2薄片的发射率和透明度52
2.4结论55
致谢55
参考文献56

第3章碳和金属纤维增强的机身结构58
3.1引言58
3.1.1机身重量与成本59
3.1.2现代CFRP机身结构面临的挑战60
3.2CFRP-金属纤维复合材料61
3.2.1碳纤维-金属纤维混杂试片的制备63
3.2.2导电性能64
3.2.3损伤容限与结构完整性64
3.3实验结果66
3.4结论与展望68
参考文献68

第4章纳米石棉有机制动材料的多功能性70
4.1引言70
4.1.1摩擦学的情况和摩擦磨损的作用70
4.1.2刹车在汽车中的作用70
4.1.3FM的发展72
4.1.4FM配方的多准则优化问题73
4.1.5NAO FM成分的分类75
4.1.6FM组成的复杂性78
4.1.7FM性能评价的复杂性79
4.2研究调查的重点79
4.2.1金属含量大小、形状和数量对FM的影响80
4.2.2NAO FM中树脂的类型和数量的影响84
4.2.3NAO FM中纤维的类型和数量的影响85
4.2.4新开发的树脂在NAO FM中的影响85
4.3结论86
参考文献86

第5章多功能高分子复合材料具有耐磨、增韧、自愈的功能89
5.1引言89
5.2具有自愈功能的环氧树脂复合材料的摩擦学性能91
5.2.1单组分自愈功能的环氧树脂复合材料的摩擦磨损性能91
5.2.2环氧复合材料具有两部分自愈合功能的热塑性能99
5.3两部分自愈合系统的增强及可恢复断裂韧性107
5.4结论110
参考文献110

第6章多功能结构电池和超级电容器复合材料114
6.1引言114
6.1.1结构能源的概念114
6.1.2结构超级电容器、电池及其混合电源115
6.1.3对结构电源材料的期望118
6.1.4最新观点介绍119
6.2结构电池的简要综述120
6.2.1引言120
6.2.2最新研究的简要介绍122
6.3结构超级电容器的简要综述126
6.3.1引言126
6.3.2增强体/电极研究进展127
6.3.3隔膜研究进展128
6.3.4多功能基体研究进展128
6.3.5结构超级电容器制备与表征129
6.4工程与系统问题132
6.4.1引言132
6.4.2设计方法133
6.4.3连通性134
6.4.4整理135
6.4.5防撞性136
6.4.6验证136
6.5科学问题的简要综述138
6.5.1电极/增强体138
6.5.2电解质/基体139
6.5.3纤维/基体的界面与界面140
6.6工程挑战140
6.6.1设计方法140
6.6.2连通性141
6.6.3制造141
6.6.4所有权问题143
6.7结论146
致谢146
参考文献147

第7章智能结构用多功能聚合物复合材料152
7.1引言152
7.2多功能材料的合成策略153
7.3“智能”结构发展中的问题157
7.4多功能电磁波吸收和阻燃材料159
7.5结果与讨论160
7.6结论165
参考文献166

第8章多功能形状记忆合金基复合材料在航空航天领域的应用168
8.1引言168
8.2冲击性能169
8.3结构健康监测172
8.4原位无损测试174
8.5除冰178
8.6结论180
致谢181
参考文献181

第9章形状记忆合金和纤维增强复合材料制造的活性混合结构183
9.1引言183
9.2通用和多功能活性混合结构中的多功能材料184
9.3碳纤维增强塑料185
9.4形状记忆合金概述及重要特性186
9.5形状记忆合金表征与模拟188
9.6形状记忆合金的模拟191
9.7形状记忆合金导线的现象学材料模型192
9.8有限元模拟的实现194
9.9实际结果的设计与制造195
9.9.1要求195
9.9.2主活性复合结构和有限元模拟模型195
9.9.3仿真结果196
9.9.4其他重要的设计方面196
9.10结论与展望199
参考文献200

第10章自愈编织玻璃/环氧树脂复合材料204
10.1引言204
10.2双胶囊策略205
10.2.1硫醇微型胶囊206
10.2.2环氧树脂微型胶囊207
10.2.3自愈能力的表征207
10.3单胶囊策略220
10.3.1咪唑潜伏性固化剂的制备220
10.3.2环氧树脂微型胶囊221
10.3.3自愈能力的表征222
10.4结论231
参考文献232

第11章形状记忆环氧树脂和复合材料的近期进展235
11.1引言235
11.2形状记忆环氧树脂（SMEP）构想237
11.2.1纯环氧树脂237
11.2.2环氧树脂-橡胶240
11.2.3环氧树脂-热塑性材料240
11.2.4环氧树脂-热固性材料243
11.3形状记忆环氧树脂复合材料244
11.3.1微粒填充245
11.3.2纤维和织物增强246
11.4应用249
11.5展望及未来趋势250
致谢251
参考文献251