本書沿著高性能復(fù)合材料主線,重點論述綠色的內(nèi)容,包括各種不同綠色復(fù)合材料的設(shè)計、選材、制造、表征和評價等內(nèi)容,具有如下特色:①先進性匯集國內(nèi)外的研究成果;②全面性對綠色復(fù)合材料作較全面的論述,包括技術(shù)要素、經(jīng)濟效益和社會效益的分析;③時效性闡明綠色復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀和前景以及技術(shù)發(fā)展方向,對今后的研究和產(chǎn)業(yè)具有導(dǎo)向和參考作用。
綠色復(fù)合材料該書是入選十二五國家重點出版物出版規(guī)劃項目。內(nèi)容體現(xiàn)如下特色:①先進性匯集國內(nèi)外新的研究成果;②全面性對綠色復(fù)合材料作較全面的論述,包括技術(shù)要素、經(jīng)濟效益和社會效益的分析;③時效性闡明綠色復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀和前景以及技術(shù)發(fā)展方向,對今后的研究和產(chǎn)業(yè)具有導(dǎo)向和參考作用。
談及復(fù)合材料,應(yīng)該首先從材料說起,對于材料,人們并不陌生,材充環(huán)宇,料滿天下,我們生活的這個世界,可以說就是由各種材料組成,房屋、汽車、高速列車、航空航天、船舶、機械、電腦、互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、運動、休閑等都離不開材料。盡管如此,但目前還沒有一個共同約定的關(guān)于材料的準(zhǔn)確定義。一般而言,材料是指具有一定的化學(xué)成分與分子結(jié)構(gòu),以及能提供一定的物理和化學(xué)性能,使其可用來制造各種產(chǎn)品和工具的物質(zhì)。應(yīng)該說,這個定義非常廣泛,它幾乎涉及人類生活、工作和學(xué)習(xí)的方方面面,以及所有的現(xiàn)代高技術(shù)領(lǐng)域和現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系。所以說材料是人類物質(zhì)文明的基礎(chǔ),也是現(xiàn)代高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。
人類數(shù)千年的物質(zhì)文明發(fā)展,特別是200多年來的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展,成就了材料發(fā)展的無比輝煌,現(xiàn)在可供人類使用的材料達50 000多種,而且高性能、高功能、多功能、智能化的新型材料還在陸續(xù)開發(fā)。一方面,隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展,材料的提取、合成、制造、加工、改性、應(yīng)用等技術(shù)水平,達到了空前的高度,為人類的未來展現(xiàn)出非常光輝的前景。另一方面,所有的材料都是用資源換取的,全球的資源只有兩大類,一類是不可再生資源,一類是可再生資源。目前全球資源的狀況是:不可再生資源在日益枯竭,可再生資源還未得到充分的開發(fā)利用。這就是綠色材料和材料綠色化異軍突起的根本原因,而其中綠色復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用將發(fā)揮極其重要的作用。
材料按照其化學(xué)組成,可分為金屬材料、無機非金屬材料和有機非金屬材料(以合成高分子材料為主)三大類。由于復(fù)合材料品種越來越多,產(chǎn)量越來越大,應(yīng)用越來越廣泛,在材料學(xué)科中的地位和作用越來越重要,因此現(xiàn)在有的分類把復(fù)合材料列為第四大類材料,但從材料的屬性來看,復(fù)合材料只不過是上述三大類材料以不同方式進行組合或復(fù)合而得到的一大類材料。
在復(fù)合材料大家族中,綠色復(fù)合材料算是新增的成員。自20世紀90年代起,其地位迅速上升,原因不言而喻。人類賴以生存的地球所面臨的資源、能源和環(huán)境問題日益迫切,促使人們?nèi)ふ乙环N新的發(fā)展理念和模式,也就是現(xiàn)在言必提及的可持續(xù)發(fā)展的理念和模式。
可持續(xù)發(fā)展是指既滿足當(dāng)代人需要,又不損害后代人滿足需要的能力的發(fā)展。(《我們共同的未來》,世界環(huán)境與發(fā)展委員會,1987年)對于材料科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言,就是要實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計、材料提取和選用、加工制造、服役和使用、回收再生的整個生命周期的綠色化和生態(tài)化,即要實現(xiàn)從傳統(tǒng)的從搖籃到墳?zāi)梗╢rom cradle to grave)到從搖籃到再生(from cradle to gate)的根本性轉(zhuǎn)變,綠色材料和綠色復(fù)合材料在這方面大有作為。
綠色復(fù)合材料是一個內(nèi)容極為豐富的概念,現(xiàn)在還沒有一個普遍接受的定義。從綠色的概念出發(fā),目前綠色復(fù)合材料可以分為兩類:一是指至少有一種組分材料是可降解的復(fù)合材料,發(fā)展主流是用可全降解的高性能天然植物纖維與全降解的生物聚合物復(fù)合而成的一類復(fù)合材料,有人稱為100%的綠色復(fù)合材料;二是其他復(fù)合材料,包括航空航天等高端應(yīng)用的高性能復(fù)合材料的綠色化,涉及綠色設(shè)計、綠色制造、退役產(chǎn)品的回收和再生利用等。從可持續(xù)發(fā)展的要求出發(fā),綠色復(fù)合材料將展現(xiàn)出非常廣闊的發(fā)展前景。
近年來,綠色復(fù)合材料成了材料大家族中的新秀,究其原因,一是原材料來自取之不盡用之不竭的可再生自然資源,如纖維素、木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)、核殼糖等,相對于石化原料,具有資源上的優(yōu)勢;二是綠色復(fù)合材料退役制品和廢棄物可自然降解,最后變成CO2 和H2O,回到大自然中去,不產(chǎn)生環(huán)境負荷。這兩方面都是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的非常重要的條件。
綠色復(fù)合材料在全球范圍內(nèi)的研究、開發(fā)和應(yīng)用已逐漸成為材料學(xué)科和材料技術(shù)發(fā)展的一種趨勢,在材料設(shè)計、原材料提取、制造加工、產(chǎn)品使用、回收再生以及產(chǎn)業(yè)化等方面取得重要進展,在汽車、高鐵、建筑、船艇、城市園林等方面的應(yīng)用迅速擴大,隨著石化高分子材料及其復(fù)合材料的資源日漸短缺,綠色復(fù)合材料對可持續(xù)發(fā)展的地位和作用將更為突出。
在簽約本書之前,曾經(jīng)有過猶豫,作為一個在航空航天復(fù)合材料圈子里轉(zhuǎn)悠近40年的科技工作者,對復(fù)合材料自然有一種難以割舍的情結(jié),但畢竟對綠色的知識、內(nèi)容和前景的了解和掌握有限,最后恐難盡如人意,但懷著為可持續(xù)發(fā)展做一點努力的愿望,我完成了這部國內(nèi)類似書籍尚屬不多的著作,希望來為我國新材料綠色化的可持續(xù)發(fā)展能起到一點作用。
綠色復(fù)合材料仍未脫出復(fù)合材料的范疇,所以本書思路基本是沿著高性能復(fù)合材料主線,著重論述綠色的內(nèi)容,包括設(shè)計、選材、制造、表征及評價等,本書可供從事復(fù)合材料的科研、生產(chǎn)、教學(xué)人員以及職能部門和中介咨詢機構(gòu)閱讀和參考。
編著者2016年6月于北京
唐見茂,教授級高級工程師,從事航空高性能纖維復(fù)合材料科研和生產(chǎn)30多年,負責(zé)航空結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究項目及科研管理,先后完成各種研究項目多項,獲部級科技進步獎二等獎和三等獎多項。自20世紀90年代至21世紀初,先后在美國斯坦福大學(xué)和香港科技大學(xué)開展高性能復(fù)合材料重大項目研究及協(xié)助指導(dǎo)博士研究生近10年,具有深厚的復(fù)合材料專業(yè)理論知識和豐富的科研生產(chǎn)實踐。在國家重點期刊發(fā)表中英論文10多篇;出版《高性能纖維及復(fù)合材料》(獨著)、《航空材料技術(shù)》(主要編著者)、《航空復(fù)合材料技術(shù)》(主要編著者)等科技著作3部;負責(zé)統(tǒng)稿《中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》年度系列報告(20072016),并獨立撰稿50多萬字,全面熟悉和掌握國內(nèi)外新材料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài);翻譯(中譯英)復(fù)合材料專著7部120萬字。
第1章
概論1
1.1
復(fù)合材料概述1
1.1.1 復(fù)合原理2
1.1.2 復(fù)合效應(yīng)4
1.2
高性能纖維復(fù)合材料的發(fā)展歷程6
1.2.1 高性能纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能7
1.2.2 復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展前景9
1.3
高性能纖維復(fù)合材料面臨可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)14
1.3.1 高性能復(fù)合材料是高投入、高成本和高能耗產(chǎn)業(yè)15
1.3.2 復(fù)合材料回收困難16
1.4
綠色復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景17
1.4.1 綠色復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀18
1.4.2 綠色復(fù)合材料發(fā)展前景22
1.4.3 高性能復(fù)合材料綠色化技術(shù)23
第2章
綠色復(fù)合材料生命周期評價34
2.1
LCA概述34
2.2
LCA.技術(shù)框架35
2.2.1 目標(biāo)和范圍確定36
2.2.2 清單分析36
2.2.3 影響評價37
2.2.4 生命周期解釋38
2.3
LCA在綠色復(fù)合材料中的應(yīng)用38
2.3.1 木塑復(fù)合材料的LCA39
2.3.2 天然纖維復(fù)合材料的LCA41
2.3.3 復(fù)合材料與金屬材料的比較41
2.4
基于LCA的復(fù)合材料清潔生產(chǎn)42
2.4.1 基于LCA清潔生產(chǎn)的一般方法43
2.4.2 復(fù)合材料清潔生產(chǎn)的研究內(nèi)容44
第3章
綠色復(fù)合材料設(shè)計49
3.1
復(fù)合材料設(shè)計概述49
3.1.1 復(fù)合材料設(shè)計基礎(chǔ)51
3.1.2 復(fù)合材料設(shè)計原則和方法54
3.2
綠色復(fù)合材料設(shè)計概述59
3.2.1 綠色設(shè)計的價值理念59
3.2.2 綠色復(fù)合材料設(shè)計原則60
3.2.3 面向產(chǎn)品生命周期的綠色設(shè)計60
3.3
綠色復(fù)合材料設(shè)計選材62
3.3.1 影響設(shè)計選材的因素62
3.3.2 設(shè)計選材的一般原則62
3.3.3 設(shè)計選材步驟63
3.3.4 設(shè)計選材的方法64
3.4
面向制造和裝配的設(shè)計66
3.4.1 復(fù)合材料制造工藝質(zhì)量要求67
3.4.2 復(fù)合材料DFM的一般考慮68
第4章
天然纖維增強體70
4.1
高性能天然纖維概述71
4.1.1 天然植物纖維的化學(xué)組成71
4.1.2 天然植物纖維的微結(jié)構(gòu)與性能72
4.2
麻纖維增強體74
4.2.1 麻纖維概述74
4.2.2 幾種麻纖維增強體76
4.3
竹纖維增強體85
4.3.1 竹纖維概述85
4.3.2 竹纖維增強熱固性樹脂基復(fù)合材料88
4.3.3 竹纖維增強熱塑性樹脂基復(fù)合材料91
4.3.4 竹纖維增強生物樹脂基復(fù)合材料94
4.4
再生纖維素纖維和納米纖維素增強體95
4.4.1 再生纖維素纖維增強體95
4.4.2 納米纖維素增強體97
4.5
天然纖維表面改性研究99
4.5.1 物理改性99
4.5.2 化學(xué)改性101
4.6
天然纖維的發(fā)展前景102
第5章
綠色復(fù)合材料基體熱固性樹脂108
5.1
熱固性樹脂基體概述108
5.2
環(huán)氧樹脂111
5.2.1 環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)及性能特點111
5.2.2 環(huán)氧樹脂的合成與分類113
5.2.3 環(huán)氧樹脂固化117
5.2.4 環(huán)氧樹脂改性124
5.2.5 環(huán)氧樹脂基綠色復(fù)合材料129
5.3
酚醛樹脂132
5.3.1 酚醛樹脂概述132
5.3.2 酚醛樹脂的合成與性能特點133
5.3.3 酚醛樹脂固化138
5.3.4 酚醛樹脂改性139
5.3.5 酚醛樹脂基綠色復(fù)合材料143
5.4
不飽和聚酯樹脂145
5.4.1 不飽和聚酯樹脂的合成、分類及應(yīng)用146
5.4.2 不飽和聚酯樹脂的改性156
5.4.3 不飽和聚酯樹脂的應(yīng)用分類160
第6章
綠色復(fù)合材料基體熱塑性樹脂164
6.1
熱塑性樹脂基體概述164
6.2
常用的熱塑性樹脂基體166
6.2.1 聚丙烯166
6.2.2 聚乙烯169
6.2.3 聚酰胺樹脂170
6.2.4 PBT樹脂172
6.3
高性能熱塑性樹脂基體173
6.3.1
高性能熱塑性樹脂的性能優(yōu)點173
6.3.2 高性能熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用175
6.4
熱塑性樹脂基綠色復(fù)合材料177
6.4.1 植物纖維增強熱塑性復(fù)合材料177
6.4.2 長纖維增強熱塑性塑料181
第7章
綠色復(fù)合材料樹脂基體生物降解樹脂190
7.1
生物降解樹脂190
7.1.1 生物降解高分子材料概述190
7.1.2 生物降解高分子材料的降解機理193
7.2
聚乳酸195
7.2.1 聚乳酸的結(jié)構(gòu)與性能196
7.2.2 聚乳酸的合成198
7.2.3 聚乳酸的降解200
7.2.4 聚乳酸的改性201
7.2.5 聚乳酸的應(yīng)用203
7.3
聚羥基脂肪酸酯205
7.3.1 PHA.概述205
7.3.2 PHBV的研究207
7.3.3 PHBV基綠色復(fù)合材料.211
7.4
聚己內(nèi)酯211
7.4.1 ε己內(nèi)酯212
7.4.2 聚己內(nèi)酯215
7.4.3 聚己內(nèi)酯的改性218
7.4.4 聚己內(nèi)酯的應(yīng)用.221
7.5
聚丁二酸丁二醇酯222
7.5.1 PBS結(jié)構(gòu)與性能222
7.5.2 PBS的合成224
7.5.3 PBS的改性225
7.5.4 PBS基綠色復(fù)合材料226
7.6
生物樹脂基復(fù)合材料研究進展226
7.6.1 生物樹脂基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀227
7.6.2 生物樹脂基復(fù)合材料研究重點228
第8章
綠色復(fù)合材料成型工藝及制造技術(shù)237
8.1
樹脂基復(fù)合材料成型工藝概述237
8.1.1 復(fù)合材料成型工藝過程.237
8.1.2 復(fù)合材料成型制造特點240
8.1.3 復(fù)合材料成型工藝發(fā)展241
8.2
復(fù)合材料成型工藝質(zhì)量控制243
8.2.1 復(fù)合材料成型工藝質(zhì)量要求244
8.2.2 復(fù)合材料工藝質(zhì)量控制245
8.3
綠色復(fù)合材料成型工藝與制造技術(shù)249
8.3.1 模具技術(shù)249
8.3.2 預(yù)浸料技術(shù)252
8.3.3 復(fù)合材料濕法成型工藝257
8.3.4 樹脂傳遞成型及派生技術(shù)261
8.3.5 復(fù)合材料干法成型工藝273
第9章
綠色復(fù)合材料表征、測試和性能評價290
9.1
綠色復(fù)合材料表征、測試和評價概述290
9.2
原材料表征技術(shù)293
9.2.1 紅外光譜分析294
9.2.2 色譜分析298
9.2.3 熱分析301
9.3
預(yù)浸料表征技術(shù)308
9.3.1 樹脂基體308
9.3.2 增強材料309
9.3.3 預(yù)浸料的工藝性能310
9.4
復(fù)合材料表征技術(shù)311
9.4.1 拉伸試驗312
9.4.2 壓縮試驗315
9.4.3
面內(nèi)剪切試驗316
9.4.4 層間剪切試驗318
9.4.5 彎曲試驗318
9.4.6 微觀檢測技術(shù)320
9.5
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表征技術(shù)321
9.5.1 開孔拉伸和開孔壓縮321
9.5.2 層間斷裂韌性322
9.5.3 沖擊后壓縮強度323
9.5.4 復(fù)合材料環(huán)境性能表征325
9.6
復(fù)合材料質(zhì)量評價328
9.6.1 破壞型質(zhì)量評價328
9.6.2 非破壞型質(zhì)量評價328