多功能聚合物复合材料（第1卷）前沿科学与技术

《多功能聚合物复合材料（第1卷）》详细介绍了多功能聚合物复合材料领域的最新研究进展。作者整理总结了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，分析了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。本卷共10章，前两章为多功能聚合物复合材料导论，并通过具体案例阐明了如何实现聚合物复合材料不同性能组合的方法。然后重点介绍了天然纤维的分类、结构和特点以及增强的多功能聚合物复合材料的性能等；纳米黏土、膨胀石墨与聚乳酸、聚烯烃制备多功能纳米复合材料的方法、性能等；多功能泡沫材料、聚对苯二甲酸烯烃酯复合材料的性能；聚合物复合材料的多功能界面特性等。并以新视角带领我们认识这种多功能复合材料。
多功能聚合物复合材料的制备是一种十分复杂的技术，本书从结构上对其进行了系统介绍，有案例分析，也有相关的专业知识。本书内容丰富，不仅涵盖从热固性塑料、热塑性塑料到弹性体的不同类型的聚合物基体，还包括与玻璃纤维或碳纤维等传统增强材料结合的各种微纳米填料。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。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，也适合对多功能聚合物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. 本书既有案例分析，也有相关的专业知识，内容丰富。不仅涵盖从热固性、热塑性塑料及弹性体的不同类型的聚合物基质，还包括与玻璃纤维或碳纤维等传统增强材料结合的各种微纳米填料。 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、形貌和力学/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，特别是在力学、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 W.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

第1章增强聚合物及复合材料实现多功能的方法1
1.1引言1
1.2案例研究2
1.2.1导电、高模、耐磨、耐高温、热塑性材料2
1.2.2层间增强的轻量化玻纤增强聚合物结构7
1.2.3陶瓷微珠在耐磨、低摩器件用热塑性复合材料中的应用11
1.2.4轻量化复合材料器件的耐腐蚀性研究18
1.2.5内燃机活塞裙用耐高温聚合物涂层22
1.2.6喉科医生激光手术实习用模型材料28
1.3结论31
致谢31
参考文献32

第2章创新的多功能复合材料35
2.1引言35
2.1.1多功能产品35
2.1.2多功能复合材料35
2.1.3目标和概要36
2.2创新型多功能碳/碳复合材料37
2.2.1碳/碳复合材料简介37
2.2.2创新型多功能碳/碳复合材料与纳米技术38
2.2.3结果与讨论42
2.2.4定向导热碳/碳复合材料的具体应用47
2.2.5总结49
2.3降雪地区用新型多功能三明治结构玻璃钢/黄麻复合材料屋面瓦49
2.3.1本研究的目的和目标49
2.3.2引言50
2.3.3三明治结构玻璃钢/黄麻复合材料的制备与力学测试50
2.3.4智能屋面瓦在降雪地区的潜在应用53
2.3.5总结53
致谢54
参考文献54

第3章天然纤维作增强体的多功能聚合物复合材料——木塑复合材料57
3.1引言57
3.2PP/WF复合材料59
3.2.1热性能60
3.2.2阻燃性63
3.2.3力学性能64
3.2.4吸水性65
3.2.5耐候性68
3.3HDPE/WF复合材料71
3.3.1质量损失72
3.3.2含水率73
3.3.3韧性73
3.3.4表面形貌74
3.4红麻纤维/聚乳酸复合材料的增韧75
3.4.1力学性能75
3.4.2断面形貌76
3.5结论78
致谢79
参考文献79

第4章天然纤维：其复合材料及可燃性表征83
4.1引言83
4.1.1天然纤维84
4.1.2阻燃性89
4.2可燃性测试方法94
4.2.1热重分析94
4.2.2LOI分析95
4.2.3美国保险商实验室标准UL-94测试96
4.2.4锥形量热仪测试97
4.3天然纤维复合材料的阻燃性98
4.3.1植物纤维基复合材料98
4.3.2动物纤维基复合材料105
4.3.3纤维杂化109
4.4本章小结109
参考文献110

第5章可生物降解聚乳酸与纳米黏土多功能纳米生物复合材料117
5.1前言117
5.2黏土和黏土聚合物纳米复合材料的形成119
5.3加工与表征121
5.3.1原位插层法122
5.3.2溶液插层124
5.3.3熔体插层126
5.4性质131
5.4.1力学性能131
5.4.2热稳定性和可燃性138
5.4.3阻隔性146
5.4.4熔融态流变特性151
5.5生物降解158
5.6结束语：目前的挑战和未来展望165
致谢166
参考文献166

第6章聚烯烃/黏土纳米复合材料注射成型产品的多功能性趋势173
6.1引言173
6.1.1聚合物纳米复合材料173
6.1.2聚合物纳米复合材料的注射成型174
6.2聚烯烃/纳米黏土复合材料注射成型方法175
6.3注射成型聚烯烃/黏土纳米复合材料的表征178
6.3.1纳米粒子的剥离与分散178
6.3.2形貌演变179
6.3.3结晶行为180
6.3.4收缩与翘曲182
6.4聚烯烃/黏土纳米复合材料成型性能183
6.4.1拉伸与弯曲性能183
6.4.2冲击性能184
6.4.3断裂性能185
6.4.4表面特性与摩擦性能186
6.4.5热稳定性与燃烧性能188
6.4.6导热性能189
6.5注射成型工艺对产品性能的影响189
6.6纳米复合材料注射成型技术进展191
6.6.1模内剪切处理191
6.6.2注射成型混合：PNC-IMC192
6.6.3总结193
致谢194
参考文献194

第7章聚合物纳米复合材料的多功能填料——膨胀石墨200
7.1简介200
7.2力学性能202
7.3热性能203
7.4电性能204
7.4.1导电填料204
7.4.2聚合物基体205
7.5多功能纳米膨胀石墨的一些应用探索207
7.5.1陆上管道涂料207
7.5.2生物柴油油箱209
7.5.3汽车散热器网格210
7.5.4晶片运输托盘和电工电子器件包装210
7.5.5电工电子器件的可降解包装211
7.6结束语212
参考文献213

第8章多功能泡沫核心材料的力学性能215
8.1聚合物泡沫芯材的多功能特性216
8.1.1轻量性216
8.1.2可调的热、声和介电性能218
8.1.3防火、防烟和防毒性220
8.1.4低树脂吸收率220
8.1.5力学性能221
8.2泡沫核心材料的剪切性能227
8.2.1剪力试验228
8.2.2夹层梁弯曲试验228
8.3案例研究：风电叶片的泡沫夹层结构229
8.3.1全场剪应变233
8.3.2核心材料的剪切应力-应变曲线238
8.4案例研究——结束语243
8.5总结244
致谢244
参考文献244

第9章对苯二甲酸烯烃烷基酯复合材料(聚酯共混物、短纤维填充材料和纳米材料)的反应增容250
9.1基本介绍251
9.2聚对苯二甲酸烯烃酯类物质（PATs）的化学反应252
9.2.1高分子聚酯的稳定性和降解作用252
9.2.2可控降解254
9.2.3终端官能团的阻断255
9.2.4链延伸256
9.3聚酯混合物的转化259
9.4高冲击强度聚酯共混物的反应复合技术260
9.5相间反应及其在短纤维增强聚酯复合材料中的应用264
9.6聚酯纳米复合材料269
9.7结束语：未来的发展趋势270
参考文献271

第10章聚合物复合材料的多功能界面281
10.1引言281
10.2实验284
10.2.1玻纤表面的纳米结构化284
10.2.2玻纤和复合材料的表征286
10.3结果与讨论287
10.3.1玻纤表面涂层287
10.3.2具备纳米增强的多功能复合材料界面290
10.4结论298
致谢298
参考文献298