多功能聚合物複合材料‧第2卷：面臨的挑戰與應用案例（簡體書）

強度、剛度和韌性是系統結構科學和工程中決定材料能否得以應用的典型特性。多功能結構材料具有超出這些基本要求的屬性。它們可以被設計成具有集成電、磁、光、機動、動力生成功能，以及可能與機械特性協同工作的其他功能。這種多功能結構材料可通過減小尺寸、重量、成本、電力供應、能耗和復雜性，由此提升效率、安全性和多功能性，因此具有巨大的影響結構性能的潛力。這意味著多功能系統無論從工業還是從基礎的角度來看，都是一個重要的研究領域。它們可用於如汽車、航空航天工業、通信、土木工程和醫學等諸多領域。適用材料的範圍也很廣，例如混合物、合金、凝膠和互穿聚合物網絡，但在大多數情況下它們是基於聚合物基的復合材料。
聚合物復合材料是開發高強度、高剛度和輕量化的組合結構的先進材料。復合材料自然也適用於多功能性的概念，即材料可具備多種功能。這些功能通常是通過結構（負載或塑性）的方式附加一種或多種其他功能，例如能量存儲（電容器或電池）、制動（控制位置或形狀）、熱管理（熱屏蔽）、健康管理（感知損壞或變形）、屏蔽（免受電磁幹擾輻射）、自我修復（自主響應局部損傷）、能量吸收（耐撞性）、信號傳遞（電信號）或電能傳遞。多功能結構可以通過消除或減少多個單功能組件的數量來實現顯著減輕重量的效果。
近年來，一些作者已認識到多功能性在聚合物復合材料中的重要性，分別集中於某一特定方面，例如，仿生學領域中的多功能材料、納米級多功能材料、用於多功能復合材料的形狀記憶聚合物或其他重要的方面做了深入的研究。本書探討了聚合物復合材料在多功能性領域的最新優勢，包括力學、界面及熱物理性質，制造技術和表征方法。同時，它將給讀者留下許多工業領域的觀點，其中多功能性是在各種領域中應用的重要因素。
全球有超過30組作者，其中許多人多年來在聚合物復合材料界廣為人知，他們在各章中分享了聚合物復合材料多功能性方面的專業知識。本書不僅包括不同類型的聚合物基質，即從熱固性材料到熱塑性塑料和彈性體，還包括各種微納米填料，例如從陶瓷納米顆粒到碳納米管，並與傳統增強材料（如玻璃或碳纖維）進行結合。本書從運輸、摩擦學、電氣元件和智能材料及其未來發展趨勢展開論述。
在第一部分中，K.Friedrich（德國）描述了在增強聚合物和復合結構中實現多功能性的可能途徑。通過不同的案例研究進行了闡述，其中包括摩擦學方面的汽車部件、抗腐蝕的風能葉片和生物醫學領域的訓練材料。隨後的章節介紹了Mohamed S.Aly-Hassan（日本）關於多功能復合材料應用的新視角，特別是具有定制導熱性能的碳-碳復合材料，以及在降雪環境下的智能夾層屋頂。
第二部分側重於討論特殊基質、增強物和界面及其對各種復合材料的多功能行為產生的影響。Z.A.Mohd Ishak（馬來西亞）和他的團隊描述了天然纖維增強材料（特別是木纖維）在室內和室外建筑材料中的應用，尤其在阻燃性方面。Debes Bhattacharyya（新西蘭）等人在他們關於“天然纖維：其復合材料及可燃性表征”的章節中也討論了類似的應用。Suprakas Sinha Ray（南非）總結了由可生物降解的聚乳酸和納米黏土組成的多功能納米復合材料在當前的發展。Patricia M.Frontini（阿根廷）和António S.Pouzada（葡萄牙）等人也使用這種類型的增強材料用於可注塑聚烯烴的多功能性研究，其中特別注重加工、形貌和機械/熱問題。Alessandra de Almeida Lucas（巴西）強調了膨脹石墨對聚合物納米復合材料的改進，特別是在機械、阻隔、電氣和熱性能方面。Volker Altstdt（德國）小組討論了泡沫芯材的多功能性，特別強調了熱、聲、電介質和衝擊行為。S.S.Pesetskii（白俄羅斯）等人通過納米和微米級填料增強來研究基於聚（對苯二甲酸亞烷基酯）的復合材料的反應增容，並提出了另一種基質的影響。對聚合物復合材料中多功能相間的分析和討論部分由Shang-Lin Gao和Edith Mder（德國）總結為一章。
第三部分介紹了多功能材料的應用，並對上述四個選定領域進行了深入說明。運輸領域始於Xiaosu Yi（中國）關於航空航天應用的多功能復合材料，特別是提高熱固性復合材料層壓板的韌性和抗衝擊性方面的研究。Edson Cocchieri Botelho（巴西）等人將重點放在具有良好力學性能和特定微波透明度（如輻射）的輕型飛機部件上。U.P.Breuer和S.Schmeer（德國）強調了機身結構電氣性能和抗損傷性能的結合。在Vassilis Kostopoulos（希臘）等人所寫的章節中，介紹了在航空航天中通過在碳纖維復合層壓板中結合納米填料，如碳納米管，來實現不同性質的組合。Mehrdad N.Ghasemi Nejhad（美國）也采用類似的概念，研發了用於汽車和航空航天工業的多功能分級納米復合材料層壓板，其中的關鍵詞“納米樹脂基質”和“納米森林纖維”起著特殊的作用。Rehan Umer（阿聯酋）等人完成了這一領域的研究並單獨成章，其中介紹了碳納米管（CNT）和氧化石墨烯（GO）對聚合物復合材料多功能性的協同效應，預計可用於航空航天、汽車和其他技術領域。
在第1章1.3節的電氣元件領域，Leif E.Asp（瑞典）等人提出用於電池和超級電容器的多功能復合材料。除了力學性能外，電化學和導電能力也是非常重要的。另一項與電池有關的貢獻由Yiu-Wing Mai和Limin Zhou（澳大利亞、中國香港）提供，涉及鋰離子電池的電紡納米結構復合纖維陽極的應用。Vitaliy G.Shevchenko（俄羅斯）和合作伙伴總體上闡述了用於智能結構的多功能聚合物復合材料，然後在各種示例中展示了如何實現多功能性，並介紹了具有低可燃性、增強熱性能和力學性能的新型熱塑性電磁波屏蔽和吸收復合材料。該領域的最後，用於航空航天工業的多功能形狀記憶合金（SMA）基復合材料由Michele Meo（英國）撰寫。本章對前面提到的領域和下一領域之間起到連接作用，因為它結合了用於航空航天（如除冰）與智能材料應用中SMA的固有電氣特性的使用，包括制動器功能。
應用的第三部分由關於智能材料和未來趨勢的章節組成。Martin Gurka（德國）從形狀記憶合金和碳纖維增強復合材料的活性雜化結構開始，應用於未來的制動器。接下來由Erik T.Thostenson（美國）等人撰寫，他們專注於自感碳納米管復合材料的加工和表征。其中機械、電氣和其他物理特性是他們特別關注的。在關於自愈玻璃/環氧復合材料的章節中，感知局部損傷並嘗試自我修復是Ming qiu Zhang團隊（中國）的研究焦點。J.Karger-Kocsis（匈牙利）在研究形狀記憶環氧樹脂和復合材料時，提到了另一個智能的領域。L.Nicolais（意大利）和同事對具有定制光學特性的納米復合材料展開了研究，通過使用在臨界溫度下改變顏色的熱致變色填料來感測性質。在處理多功能聚合物/ ZnO納米復合材料時，Hung-Jue Sue和Dazhi Sun（美國、中國）的章節也涉及光學、電子和光伏領域。作者強調了物理性質分布的分散質量。K.Schulte（德國）對如何提高聚合物基復合材料的多功能性給出了總體的看法，特別強調了陶瓷納米粒子、碳納米管和石墨烯。最後一章由Josef Jancar（捷克）編寫，引入了“復合材料組學：用於結構和組織工程應用的多尺度分級復合材料”這一術語，強調了POSS的特殊用途。
在考慮整本書的內容時，很明顯它主要面向學術界和工業界中對材料開發和特定應用尋找新的解決方案的科學家。因此，本書將成為那些已經成為或想要在多功能聚合物復合材料領域成為專業人士的讀者的參考文獻和實踐指南。
通過編寫本書，我們希望能夠對多功能聚合物復合材料這一復雜技術領域的系統結構展開進一步研究。目前來看，為時不晚，然而這僅是第一次嘗試涵蓋過去幾年一直處於快速發展過程中的研究。我們相信，在不久的將來，有關多功能聚合物復合材料的更多有趣的成果將在公開文獻中公布。
最後，我們要感謝所有能夠將他們的想法和成果納入本專題圖書的貢獻者。我們也感謝許多其他廣泛參與的在同行評審過程中做出貢獻的科學家。這些審閱者包括：S.Y.Fu，M.Z.Rong，Z.Z.Yu（中國）；A.Dasari，S.Ramakrishna（新加坡）；G.Zaikov（俄羅斯）；H.J.Sue，T.W.Chou，D.O’Brien，W.Brostow，Z.Liang，N.Koratkar（美國）；G.W.Stachowiak，J.Ma，S.Bandyopadhyay（澳大利亞）；S.Thomas（印度）；N.M.Barkoula，D.E.Mouzakis（希臘）；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（德國）。

Klaus Friedrich
Ulf Breuer
2014年10月20日，凱澤斯勞滕

第1章多功能復合材料在航空航天領域的應用進展1
1.1引言、目的和技術挑戰1
1.2如何提高復合材料的強度和抗衝擊性能4
1.2.1環氧復合材料6
1.2.2BMI復合材料12
1.2.3技術規模化發展17
1.3如何在RTM復合材料中實現層間增韌18
1.3.1可RTM的環氧樹脂基復合材料18
1.3.2BMI基復合材料21
1.3.3ESTM-Fabrics的預成型增韌技術26
1.4多功能化的夾層技術29
1.4.1聚合物層間法29
1.4.2纖維紗層間法33
1.5概括和總結39
致謝41
參考文獻41

第2章輕質結構復合材料的電磁效應45
2.1引言45
2.2濕度對力學性能的影響46
2.2.1強度和硬度性質48
2.3微波-吸收性質49
2.3.1插入天線51
2.3.2薄片的發射率和透明度52
2.4結論55
致謝55
參考文獻56

第3章碳和金屬纖維增強的機身結構58
3.1引言58
3.1.1機身重量與成本59
3.1.2現代CFRP機身結構面臨的挑戰60
3.2CFRP-金屬纖維復合材料61
3.2.1碳纖維-金屬纖維混雜試片的制備63
3.2.2導電性能64
3.2.3損傷容限與結構完整性64
3.3實驗結果66
3.4結論與展望68
參考文獻68

第4章納米石棉有機制動材料的多功能性70
4.1引言70
4.1.1摩擦學的情況和摩擦磨損的作用70
4.1.2剎車在汽車中的作用70
4.1.3FM的發展72
4.1.4FM配方的多準則優化問題73
4.1.5NAO FM成分的分類75
4.1.6FM組成的復雜性78
4.1.7FM性能評價的復雜性79
4.2研究調查的重點79
4.2.1金屬含量大小、形狀和數量對FM的影響80
4.2.2NAO FM中樹脂的類型和數量的影響84
4.2.3NAO FM中纖維的類型和數量的影響85
4.2.4新開發的樹脂在NAO FM中的影響85
4.3結論86
參考文獻86

第5章多功能高分子復合材料具有耐磨、增韌、自愈的功能89
5.1引言89
5.2具有自愈功能的環氧樹脂復合材料的摩擦學性能91
5.2.1單組分自愈功能的環氧樹脂復合材料的摩擦磨損性能91
5.2.2環氧復合材料具有兩部分自愈合功能的熱塑性能99
5.3兩部分自愈合系統的增強及可恢復斷裂韌性107
5.4結論110
參考文獻110

第6章多功能結構電池和超級電容器復合材料114
6.1引言114
6.1.1結構能源的概念114
6.1.2結構超級電容器、電池及其混合電源115
6.1.3對結構電源材料的期望118
6.1.4最新觀點介紹119
6.2結構電池的簡要綜述120
6.2.1引言120
6.2.2最新研究的簡要介紹122
6.3結構超級電容器的簡要綜述126
6.3.1引言126
6.3.2增強體/電極研究進展127
6.3.3隔膜研究進展128
6.3.4多功能基體研究進展128
6.3.5結構超級電容器制備與表征129
6.4工程與系統問題132
6.4.1引言132
6.4.2設計方法133
6.4.3連通性134
6.4.4整理135
6.4.5防撞性136
6.4.6驗證136
6.5科學問題的簡要綜述138
6.5.1電極/增強體138
6.5.2電解質/基體139
6.5.3纖維/基體的界面與界面140
6.6工程挑戰140
6.6.1設計方法140
6.6.2連通性141
6.6.3制造141
6.6.4所有權問題143
6.7結論146
致謝146
參考文獻147

第7章智能結構用多功能聚合物復合材料152
7.1引言152
7.2多功能材料的合成策略153
7.3“智能”結構發展中的問題157
7.4多功能電磁波吸收和阻燃材料159
7.5結果與討論160
7.6結論165
參考文獻166

第8章多功能形狀記憶合金基復合材料在航空航天領域的應用168
8.1引言168
8.2衝擊性能169
8.3結構健康監測172
8.4原位無損測試174
8.5除冰178
8.6結論180
致謝181
參考文獻181

第9章形狀記憶合金和纖維增強復合材料制造的活性混合結構183
9.1引言183
9.2通用和多功能活性混合結構中的多功能材料184
9.3碳纖維增強塑料185
9.4形狀記憶合金概述及重要特性186
9.5形狀記憶合金表征與模擬188
9.6形狀記憶合金的模擬191
9.7形狀記憶合金導線的現象學材料模型192
9.8有限元模擬的實現194
9.9實際結果的設計與制造195
9.9.1要求195
9.9.2主活性復合結構和有限元模擬模型195
9.9.3仿真結果196
9.9.4其他重要的設計方面196
9.10結論與展望199
參考文獻200

第10章自愈編織玻璃/環氧樹脂復合材料204
10.1引言204
10.2雙膠囊策略205
10.2.1硫醇微型膠囊206
10.2.2環氧樹脂微型膠囊207
10.2.3自愈能力的表征207
10.3單膠囊策略220
10.3.1咪唑潛伏性固化劑的制備220
10.3.2環氧樹脂微型膠囊221
10.3.3自愈能力的表征222
10.4結論231
參考文獻232

第11章形狀記憶環氧樹脂和復合材料的近期進展235
11.1引言235
11.2形狀記憶環氧樹脂（SMEP）構想237
11.2.1純環氧樹脂237
11.2.2環氧樹脂-橡膠240
11.2.3環氧樹脂-熱塑性材料240
11.2.4環氧樹脂-熱固性材料243
11.3形狀記憶環氧樹脂復合材料244
11.3.1微粒填充245
11.3.2纖維和織物增強246
11.4應用249
11.5展望及未來趨勢250
致謝251
參考文獻251