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出版者:CRC Pr I Llc

作者:S, Russell

出品人:

页数:530

译者:

出版时间:2006-10

价格:$ 271.14

装帧:HRD

isbn号码:9780849325960

丛书系列:

图书标签:

• Nonwovens
• Textiles
• Materials Science
• Fiber Engineering
• Polymer Science
• Industrial Fabrics
• Technical Textiles
• Manufacturing
• Applications
• Properties

现代材料科学前沿：高性能复合材料的设计与应用 本书导读： 在当代工程和科学领域，对具有特定、优化性能的材料的需求正以前所未有的速度增长。传统的单一材料体系已难以满足航空航天、生物医学、新能源存储以及极端环境工程对轻质化、高强度、多功能集成化的苛刻要求。本书《现代材料科学前沿：高性能复合材料的设计与应用》聚焦于这一关键转型期，深入剖析了结构与功能复合材料体系的设计原理、制备工艺的创新，以及在尖端技术领域的实际应用案例。 本书摒弃了对基础理论的冗余重复，而是将重点放在材料界面科学、先进制造技术与宏观性能调控之间的复杂耦合关系上。我们旨在为材料科学家、结构工程师以及从事先进制造工艺的研发人员提供一套系统化的、具有前瞻性的知识框架。 --- 第一部分：复合材料设计的基石与界面调控 本部分奠定了高性能复合材料设计的基础，强调了有效介质理论在预测宏观性能中的局限性，并转向更精细化的微观结构与界面特性研究。 第一章：多尺度结构建模与性能预测的挑战 传统的Halpin-Tsai或混合律模型在处理高度非均匀或功能梯度结构时表现出明显的不足。本章着重探讨了基于有限元分析（FEA）的先进多尺度建模方法，特别是随机化模型（Stochastic Modeling）在模拟纤维随机取向和孔隙分布对疲劳寿命影响中的应用。重点讨论了晶格模型（Lattice Models）在模拟材料损伤演化和裂纹扩展路径中的优势，并提出了如何通过计算力学手段预测复合材料在冲击载荷下的动态响应。 第二章：先进界面工程：连接相间的关键 界面是复合材料中能量耗散和载荷传递的核心区域。本章深入探讨了界面改性的各种策略，包括但不限于： 1. 表面化学处理： 详细分析了硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂以及新型功能化聚合物对无机填料（如碳纳米管、石墨烯片层）与有机基体之间润湿性、反应性和机械锚固效应的精确调控。 2. 物理界面调控： 探讨了通过控制冷却速率、聚合过程中的热应力诱导或原位生长技术，实现界面层厚度、晶粒尺寸和残余应力状态的精准控制，以优化层间剪切强度（ILSS）。 3. 界面缺陷的识别与量化： 介绍使用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）结合能量分散谱（EDS）分析界面化学梯度，并利用声发射（AE）技术实时监测微裂纹萌生与扩展的关联性。 第三章：基体材料的革命：从热塑到热固的跨越 本章对比分析了环氧树脂、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）等热固性与热塑性基体材料的内在特性。着重介绍了高性能热塑性复合材料在提升韧性和可回收性方面的潜力。讨论了新型自修复聚合物基体的设计理念，即通过引入可逆化学键（如狄尔斯-阿尔德反应、氢键网络）实现损伤的“按需”修复，从而大幅延长材料的使用寿命。 --- 第二部分：尖端制造工艺与功能集成 本部分的核心在于探讨如何利用先进的制造技术，将结构支撑性与特定功能（如导电性、热管理、电磁屏蔽）集成到单一材料体系中，实现“结构即功能”的设计目标。 第四章：增材制造与复合材料的拓扑优化 传统的热压罐工艺在制造复杂几何形状和功能梯度结构时存在固有局限。本章聚焦于增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术在复合材料领域的应用，特别是： 1. 激光辅助复合材料沉积（LCPD）： 探讨如何精确控制激光能量和进料速率，以确保长纤维在沉积过程中保持高保留率（Fiber Volume Fraction Preservation）和优化的纤维取向分布。 2. 光固化（Vat Polymerization）的纤维增强： 深入分析了基于数字光处理（DLP）技术制造具有复杂内部微结构的连续纤维增强光聚合复合材料的挑战，包括光穿透深度与固化速率的相互制约。 3. 拓扑优化驱动的设计： 介绍如何将结构分析软件计算出的应力分布映射到制造路径上，实现材料沿主应力方向的精确堆叠，以最大限度地减轻重量。 第五章：电磁屏蔽与吸波材料的集成设计 在日益密集的电子设备环境中，电磁兼容性（EMC）成为关键挑战。本章探讨了如何将电磁功能填料（如镍包铜粉、碳化硅颗粒或卷曲碳纳米管）均匀分散或定向排列到结构基体中： 1. 传输线理论与阻抗匹配： 阐述了如何通过调整功能填料的体积分数和界面接触电阻，使复合材料的输入阻抗与自由空间阻抗精确匹配，从而最大化电磁波的吸收和反射效率。 2. 三维网络构建： 重点分析了通过电化学沉积或原位聚合技术，在复合材料内部构建导电通路，实现高导电性同时维持结构完整性的技术路径。 第六章：热管理复合材料的相变与传热调控 高效的热管理是电池系统和功率电子设备长寿的关键。本章关注如何通过复合材料实现热导率的各向异性控制： 1. 轴向高导热设计： 详细介绍了如何利用高导热填料（如高取向性石墨片、热膨胀系数匹配的陶瓷棒）沿特定热流路径进行定向铺设，以实现高于传统金属材料的热扩散率。 2. 基于相变材料（PCM）的复合封装： 探讨了将微胶囊化的PCM集成到聚合物基体中，利用材料吸收/释放潜热的特性，实现对工作温度的宽带稳定控制，而非简单地增加热容。 --- 第三部分：前沿应用与可靠性评估 本部分将理论与先进制造成果转化为实际应用，并强调了在严苛服役条件下，材料系统的长期可靠性评估方法。 第七章：极端环境下的耐久性与老化机制 复合材料在航空航天和深海工程中面临的挑战远超常温常压环境。 1. 湿热老化与耦合效应： 深入分析了水分、氧气、紫外线与温度协同作用下，聚合物基体水解、增塑以及纤维/基体界面脱粘的竞争性机制。引入了时间-温度等效原理（TTSP）在预测长期性能中的修正模型。 2. 抗辐照与等离子体侵蚀： 针对空间应用，讨论了聚合物在真空紫外线（VUV）辐射下的链断裂过程，以及使用无机保护涂层或高耐辐射基体（如氟化聚合物）的防护策略。 第八章：生物医学应用中的生物相容性与降解控制 在可吸收植入物和药物输送载体领域，对材料的生物反应性提出极高要求。本章侧重于： 1. 动态降解速率的精确调控： 探讨了通过改变聚乳酸-乙醇酸（PLGA）的共聚物比例、分子量或引入特定酶促敏感的交联点，实现植入物在体内数周至数月内降解速率的精确调控。 2. 表面功能化以促进生物整合： 介绍了如何通过等离子体接枝技术在材料表面负载生物活性分子（如RGD肽序列）以促进细胞黏附和骨组织生长，同时保持材料核心的结构强度。 第九章：先进无损评估（NDE）在复合材料健康监测中的集成 确保复合材料结构的安全运行依赖于早期、精确的损伤识别。本章介绍了超越传统超声波的先进无损检测技术： 1. 导电性传感网络： 利用复合材料本身固有的电阻变化，通过电阻层析成像技术（Electrical Impedance Tomography, EIT）对结构内部的损伤区域（如气孔、分层）进行定位和实时监测。 2. 分布式光纤传感（DOFS）： 探讨了将光纤嵌入复合材料层中，通过测量光纤的布里渊散射或拉曼散射信号的变化，实现对载荷分布、应变场和微裂纹萌生的全场、实时测量。 --- 结语： 本书不仅是材料性能的汇编，更是对未来材料设计范式的探索。它强调了跨学科知识的融合——从量子化学预测到大规模制造工艺的集成——是实现下一代高性能工程材料的关键路径。读者将获得一套用于解决复杂工程挑战的创新性工具箱。

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