Fundamentals of Fibre Reinforced Composite Materials

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出版者:CRC Pr I Llc
作者:Bunsell, A. R./ Renard, J.
出品人:
页数:225
译者:
出版时间:2005-6
价格:$ 101.64
装帧:Pap
isbn号码:9780750306898
丛书系列:
图书标签:
  • 复合材料
  • 纤维增强
  • 材料科学
  • 工程材料
  • 力学
  • 结构分析
  • 聚合物
  • 复合材料设计
  • 复合材料制造
  • 航空航天
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具体描述

Fiber reinforced composite materials encompass a wide range of material classes from reinforced glasses, plastics, and rubbers through to more recently developed metals and ceramics. "Fundamentals of Fibre Reinforced Composite Materials" is a comprehensive and authoritative book that introduces the topic with a brief history of composite development, a review of composite applications, the types of fibre used, and their respective individual properties. An entire chapter considers organic matrices and their behavior, reviewing all of the most commonly encountered polymer matrix systems.Composite manufacturing techniques are then discussed, including those methods employed in the production of advanced metal and ceramic matrix composites. The remaining chapters are devoted primarily to theoretical treatments of composite behavior, with emphasis on the understanding of damage mechanisms such as cracking, delamination, and fibre breakage. Where a mathematical approach is required, an attempt is made to relate the sometimes rather abstract notions back at the structure of the material being discussed. With extensive sets of sample problems accompanying each chapter, "Fundamentals of Fibre Reinforced Composite Materials" is ideally suited to undergraduate and graduate students of materials science, structural, mechanical, and aeronautical engineering, polymer science, metallurgy, physics and chemistry. It will also be of use as a reference to researchers working with composite materials and material scientists in general.

纤维增强复合材料基础 一本深入探索现代材料科学核心的权威著作 本书旨在为材料工程师、结构设计师、先进制造领域的专业人士以及相关专业的学生提供一套全面、严谨且实用的知识体系,专注于非纤维增强复合材料,特别是那些依赖于颗粒、短纤维、片状或纳米尺度填料来获得增强性能的体系。 我们深知,在工程应用中,材料的选择与设计是决定最终产品性能、耐久性和成本效益的关键。本书的核心目标是超越传统的连续纤维复合材料视角,深入剖析那些通过巧妙地将无定向或短程增强相分散到基体中,从而实现优异力学、热学和电学性能的材料系统。 第一部分:颗粒增强复合材料的理论基础与微观结构 本部分奠定了颗粒增强复合材料的理论框架,侧重于理解填料形态、尺寸和分布如何影响宏观性能。 第一章:增强相的微观形态与界面化学 本章首先对增强颗粒的分类进行了详尽的描述,涵盖了球形、不规则形、短切纤维(长度与直径比通常小于10)、片状填料(如云母、滑石)以及近年来备受关注的纳米颗粒(如二氧化硅、碳纳米管/石墨烯的低纵横比形态)。我们将详细探讨这些不同形态的颗粒如何影响复合材料的应力传递机制。 重点将放在界面的研究上。界面是颗粒增强复合材料性能的决定性因素。我们将深入讨论界面区的应力集中、微裂纹的萌生与扩展,以及如何通过表面处理技术(如偶联剂、表面改性)来优化基体与增强相之间的粘结强度。界面能、界面区厚度和界面应力转移效率将在本章中进行量化分析。 第二章:性能预测的经典与现代模型 本章聚焦于如何通过数学模型预测复合材料的宏观力学性能,特别是弹性模量、泊松比和强度。我们将系统性地回顾并深入分析以下经典模型: 1. 混合律(Rule of Mixtures, ROM):作为基础模型,分析其在各向同性颗粒体系中的适用边界。 2. 尼尔森-兰斯模型(Nielsen-Landell Model):着重探讨体积含量、填料形状因子($f_2$)和最大填充密度对有效模量的修正效应。 3. 基尔希模型(Kerner Model)与哈希模型(Hashin-Shtrikman Bounds):这些模型提供了对各向同性复合材料性能的上下限估计,是评估实验数据合理性的重要工具。 对于高填料负载情况,我们将引入基于有限元分析(FEA)的晶格模型和随机网络模型,用以捕捉颗粒间的接触效应和局域应力集中现象。 第三章:力学性能:强度、断裂韧性与粘塑性行为 颗粒增强复合材料的强度通常受限于界面脱粘或颗粒自身的断裂。本章将详细分析: 颗粒对拉伸和压缩强度的影响:探讨填料的体积分数、尺寸效应(例如,颗粒尺寸对Hall-Petch关系的反转现象)如何影响屈服和极限强度。 韧性增强机制:与连续纤维增强材料不同,颗粒增强材料的韧性提升主要依赖于孔隙成核、颗粒-基体脱粘扩展和剪切带的形成。我们将使用等效断裂韧性理论来量化这些机制的贡献。 粘塑性与蠕变行为:在聚合物基复合材料中,颗粒的存在会显著影响基体的粘塑性流动,特别是在高温或高应变率下的响应。 第二部分:加工技术与结构控制 先进的性能依赖于精确的加工控制。本部分着重于如何通过制造工艺来控制增强相的分布和界面质量。 第四章:复合材料的制备工艺:混合、成型与固化 本章详细介绍了针对颗粒和短纤维体系的几种关键制备技术: 1. 熔融混合技术(如双螺杆挤出):重点分析剪切速率、温度曲线和进料策略对填料分散均匀性的影响,以及如何控制聚集体(Agglomerates)的破碎。 2. 浆料/溶液混合技术(如球磨、湿法研磨):探讨溶剂选择、研磨介质和时间对纳米颗粒分散稳定性的作用。 3. 成型技术:对比注射成型、模压成型和流延成型在引入定向性(例如,通过剪切流动诱导的短纤维取向)上的差异。 4. 固化动力学与收缩应力:分析在固化过程中,由于不同热膨胀系数的基体和填料之间的热应力(固化残余应力)对界面完整性的影响。 第五章:形态与取向对宏观各向异性的影响 虽然颗粒增强复合材料通常被认为是各向同性的,但在高剪切流场下制备的短切纤维或片状填料体系将表现出显著的结构各向异性。 本章将通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)取向分析和拉曼光谱来定量表征填料的宏观取向度。我们将建立从微观取向参数到宏观弹性张量(例如,横观各向同性模型)的转换关系,并讨论如何利用先进的模拟工具预测流场诱导的取向分布函数。 第三部分:功能性颗粒增强复合材料 除了增强力学性能,颗粒填料在赋予复合材料特殊功能方面扮演着核心角色。 第六章:导电与导热复合材料的设计 本章专注于如何利用导电填料(如炭黑、石墨、金属颗粒)或高导热填料(如氮化铝、氧化铝、碳纳米管的低纵横比聚集体)来设计功能性材料: 导电机制:深入分析渗透网络模型(Percolation Theory)。重点探讨临界体积含量、网络拓扑结构以及剪切诱导的导电路径重构。 热传输模型:研究颗粒间的接触热阻(Thermal Contact Resistance, TCR)在总热阻中的贡献。比较不同填料形态(球形 vs. 短棒状)对界面热导率的影响。 第七章:阻尼与电磁屏蔽应用 粘弹性与能量耗散:探讨颗粒填料如何通过在界面处产生额外的滑移、摩擦和内耗机制来提高复合材料的机械阻尼特性,适用于振动控制应用。 电磁屏蔽(EMI Shielding):分析屏蔽效率与填料的导电网络密度、复合材料厚度以及填料的反射/吸收机制之间的关系。 结论与展望 本书在严格的材料科学理论基础上,结合了前沿的实验表征技术和先进的计算模拟方法,为读者提供了一个理解和设计非纤维增强复合材料的综合平台。本书强调了界面控制、填料形态工程和制造过程优化对于实现特定性能目标的关键作用。未来的研究方向将集中于多功能颗粒的协同增强效应以及实现大规模、低成本、高精度的形态控制技术。

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