本书着重介绍微结构材料在结构设计及轻量化应用方面的关键技术。随着轻量化技术的不断成熟及新材料领域的飞速发展,微结构材料不仅打破了常规轻量化的概念,而且在新材料领域崭露头角,开始展现巨大的优势和潜力。
本书适合汽车企业设计工程师及材料工程师阅读使用,也适合普通高等学校机械专业及材料专业师生参考阅读。
适读人群 :汽车行业设计工程师及材料行业工程师 1. 本书着重介绍微结构材料在结构设计及轻量化应用方面的关键技术。
2. 最基本微结构与材料的融合,提供全新的车辆轻量化终极解决方案。
3. 本书组织了全球数位汽车行业专家,历时三年半,共六轮编撰合作完成。
4. 本书适合汽车企业设计工程师及材料工程师阅读使用。
【名人推荐】
本书由全球多位知名专家凝练新技术,探讨未来车辆的最基本微结构与材料的融合,提供全新的车辆轻量化终极解决方案,推动车辆向更轻、更安全和高性能方向发展,实现车辆产业绿色发展的时代愿景。
—— 李骏︳中国工程院院士、中国汽车工程学会理事长
介于材料科学和结构技术之间,微结构材料俨然已成为新兴学科和新的研究领域。在肉眼可见的尺度上,它可构建新的轻量化和功能化材料;在大规模工业化上,它具有更广阔的应用前景。本书的著者们率先带领读者进入这一广阔且丰富多彩的领域,相信会为车辆轻量化设计开辟新的天地!
——马正东︳美国密歇根大学教授、国际知名微结构材料专家
世界万物在不断进化中,巧夺天工地形成了各种轻巧健壮的微结构。大道至简,对于重构智能车辆“身躯与灵魂”的当下,微结构材料必将为车辆和智能座舱的轻量化设计提供更多灵感。
——董学锋︳ 国汽(北京)汽车轻量化技术研究院总经理
轻量化终极解决方案——微结构材料,这是大自然给我们的启迪,捧着这本由全球多个学者精心编撰的书稿详读,与微结构材料的神秘结构和未来无限可能的拓展进行一场酣畅淋漓的时空穿越:书开时,对轻量化方案的疑惑和对未来车辆技术发展的畅想统统浮现;书闭后,个个不解皆柳暗花明。本书旨在成为一个指引,助力其在车辆部件设计与开发等轻量化共性关键技术的提升,并为推动其在智能制造领域的深入应用注入新活力。
微结构材料作为一种新型结构材料,兼顾部件轻量化与高性能的需求,倘若恰当地运用于车辆部件中,车辆轻量化和绿色化技术会如虎添翼。故而本书将从自然界动物和植物的微观结构角度切入,阐述其得天独厚的几何特性、吸能特性及其多样化的表现形式,同时从研究学者的视角解读增材制造技术的潜力及其与微结构材料巧妙融合的天马行空无限想象的创意能力。除了一种“恍然大悟”的分享驱动,出版本书还源于一种使命感。我曾经从业于欧美汽车行业多年,深知精细的工匠精神是如何渗入到基因中的一种难以替代的竞争力,也深知国际智能制造发展将从基本微结构产生的一种叹为观止的原创力。近几年,我们团队在先进车辆轻量化技术方面做了丰富的研究,并与密歇根大学和吉林大学等合作,致力于微结构复合材料在车辆轻量化上的研究与应用,并在微结构、材料和性能一体化优化设计方法方面取得重大进展。同时,先进增材制造技术可打印各种复杂形状的产品,包括一体化结构、仿生学设计、异形结构、点阵结构、薄壁结构、梯度合金结构、超材料/结构等。
在新一轮科技革命背景下,为践行“资源利用集约化、 生产过程低碳化”的生态理念, 轻量化和绿色化一直是技术发展的主线,已成为世界各国制造业的 “逐鹿点”,也是实现中国制造业节能减排、可持续发展的必经之路。而车辆、高铁、建筑和航空航天等我国急需发展的诸多重点领域在轻量化基础前沿和共性关键技术方面,仍需借鉴国际先进的轻量化设计理念。若要在轻量化技术领域取得新突破,一定要重视基础研究,可谓任重而道远。
本书为工程技术人员和科研工作者提供必要的轻量化和绿色化技术第一手必备知识,全书共分为11章,第1章引入了微结构材料构型及其研究现状,第2、3章分别从仿生角度生动阐述了多种天然微结构材料,第4、5章详细描述了其结构特性与变形机理等,第6章概括了五种制备方法,第7、8章站在吸能减振的角度阐述了其在车辆安全及NVH领域的应用前景,第9章介绍了毫米级无序、有序通孔微结构材料及纳米级微孔隔热材料在热/质传递领域的应用,第10章从力学特性角度叙述了其在非充气轮胎的应用潜力,第11章聚焦于先进增材制造技术。最后,提出智能生态出行是未来智慧城市的重要纽带和主动脉,将深刻影响全球未来出行的新格局。
本书组织了全球数位汽车行业专家,历时三年半,共六轮编撰合作完成。马芳武教授(SAE Fellow)担任全书的主编著和总校对工作;马正东教授(美国密歇根大学)对于本书的核心章节给予了高屋建瓴的指导;丁祎教授(美国加利福尼亚州,北汽研究院)在本书写作过程中给予了许多实质性指导,并参与了整书终稿的校对;赵颖博士(西南大学)担任全书的主编写和总校对工作。本书第1、2、6章由梁鸿宇(吉林大学)写作;第3、11章由王国旺(东风日产乘用车公司)写作;第4、5、10章和全书展望由赵颖博士(西南大学)写作,其中第4章441节由闫晓磊教授(福建工程学院)写作;第7章由杨猛博士(中国重型汽车集团有限公司)写作;第8章由陈书明教授(吉林大学)写作;第9章由沈淳副教授(吉林大学)写作。在此,对以上辛苦参与本书编撰的全体人员表示衷心的感谢!
相信本书将以与众不同的视角带给车辆轻量化界一个“惊喜”。希望此书能成为行业的必读案前书,协助开拓微结构材料与增材制造技术更多值得惊叹的奇迹!最后,特别鸣谢机械工业出版社在本书写作与出版过程中给予的支持与帮助。
序
第1章微结构材料概述…1
1.1引言…1
1.2微结构材料概念…2
1.3微结构材料构型…3
1.4国内外研究现状…4
1.5微结构材料助力汽车轻量化…7
1.6小结…9
参考文献…9
第2章天然微结构材料——动物启发…11
2.1引言…11
2.2高强度结构——人体骨骼…11
2.3振动缓冲结构——啄木鸟头骨…12
2.4抗弯曲结构——鸟类羽轴…13
2.5高刚度结构——蜻蜓翅膀…15
2.6低黏附结构——蚊子复眼…18
2.7光学结构——结构色…19
2.8强黏附结构——壁虎脚…20
2.9高强近似规则结构——珊瑚…22
2.10负泊松比微结构——贝壳…23
2.11小结…24
参考文献…24
第3章天然微结构材料——植物启发…26
3.1引言…26
3.2蜂窝多孔结构——木材…26
3.3多孔微结构特例——软木…28
3.4中空薄壁结构——竹子…31
3.5纹路散布结构——树叶…34
3.6孔隙多变结构——硅藻…36
3.7维管密布结构——海绵丝瓜络…38
3.8小结…40
参考文献…40
第4章微结构材料特性…42
4.1引言…42
4.2微结构材料力学特性…42
4.2.1相对密度…42
4.2.2泊松比…45
4.2.3弹性模量…49
4.2.4硬度…50
4.3微结构材料变形机理及分类…51
4.3.1内凹多边形微结构…51
4.3.2手性微结构…52
4.3.3旋转微结构…54
4.3.4褶皱微结构…56
4.3.5穿孔板微结构…57
4.3.6联锁多边形微结构…59
4.3.7其他类型微结构…59
4.3.8载荷位移曲线…59
4.4微结构材料均质化理论…62
4.4.1基于数学原理的均质化理论…62
4.4.2基于力学原理的均质化理论…69
4.5小结…73
参考文献…74
目录●●●●●●●●●●微结构材料——车辆轻量化的终极解决方案
第5章人工微结构材料…78
5.1引言…78
5.2多孔固体…78
5.3多孔金属…81
5.4多孔陶瓷…84
5.5微结构声子晶体…84
5.6夹层结构…88
5.6.1泡沫夹层结构…89
5.6.2木芯夹层结构…90
5.6.3蜂窝夹层结构…91
5.6.4桁架夹层结构…94
5.7人工微结构特例…96
5.8未来超轻智能微结构材料…98
5.9小结…100
参考文献…100
第6章微结构材料制备方法…102
6.1引言…102
6.2多孔金属制备…102
6.3多孔陶瓷制备…109
6.4泡沫塑料制备…111
6.5夹芯结构制备…113
6.6多胞材料制备…115
6.7小结…118
参考文献…118
第7章微结构材料在汽车安全中的应用…120
7.1引言…120
7.2汽车安全…120
7.2.1主动安全和被动安全…120
7.2.2行人保护…121
7.3负泊松比微结构材料能量吸收特性研究…122
7.3.1面内压缩应力-应变曲线…122
7.3.2碰撞能量吸收机理…123
7.4NPR微结构碳纤维发动机舱盖行人保护研究…127
7.4.1NPR微结构应力-应变关系模型构建…128
7.4.2HIC值估算与刚度分析…129
7.5多孔微结构材料填充碰撞安全件研究…133
7.6NPR微结构材料未来应用设计…135
7.7小结…139
参考文献…139
第8章微结构材料在NVH领域中的应用…141
8.1微结构材料吸声与隔声原理…141
8.1.1吸声原理…141
8.1.2隔声原理…142
8.2微结构吸声材料…143
8.2.1多孔性吸声材料…144
8.2.2共振吸声材料…148
8.2.3其他吸声微结构材料…149
8.3微结构隔声材料…153
8.3.1纺织品隔声材料…153
8.3.2树脂基体复合隔声材料…154
8.3.3木质隔声材料…154
8.3.4聚氨酯材料…155
8.3.5泡沫铝材料…156
8.3.6蜂窝隔声材料…156
8.3.7微结构隔声材料的应用…157
8.4微结构材料声学测试…158
8.4.1微结构吸声测试…158
8.4.2微结构隔声测试…160
8.5微结构减振材料…161
8.5.1概述…162
8.5.2减振微结构材料设计…162
8.5.3微结构减振材料分类与应用…164
8.6微结构材料在NVH中的应用…167
8.6.1泡沫材料在NVH中的应用…167
8.6.2纤维材料在NVH中的应用…171
8.6.3新型微结构材料在NVH中的应用…173
8.7小结…174
参考文献…174
第9章微结构材料在热/质传递领域中的应用…179
9.1微结构材料热/质传递特性概述…179
9.2毫米级无序通孔微结构材料强化热/质传递应用…179
9.2.1换热器…180
9.2.2热沉…180
9.2.3热管…182
9.2.4太阳能吸热芯…185
9.2.5燃烧室冷却…186
9.2.6燃烧室稳定燃烧和减排…186
9.2.7内燃机工作循环…188
9.2.8燃料电池…189
9.2.9动力蓄电池相变换热…190
9.3毫米级有序通孔微结构材料强化热/质传递应用…195
9.3.1强化传热…195
9.3.2强化传质…197
9.4纳米级微孔隔热材料(纳米孔气凝胶)…199
9.5小结…200
参考文献…201
第10章微结构材料在非充气轮胎中的应用…204
10.1引言…204
10.2充气轮胎力学特性…204
10.3充气轮胎故障及简要分析…208
10.3.1爆胎现象…208
10.3.2磨损现象…208
10.3.3运转不平顺…208
10.4非充气轮胎…209
10.4.1结构及优缺点…209
10.4.2设计特点…214
10.4.3发展趋势…217
10.5非充气轮胎力学特性…219
10.5.1垂向力学特性研究…219
10.5.2纵向力学特性研究…220
10.5.3侧向力学特性研究…221
10.5.4接地特性研究…221
10.5.5振动特性研究…221
10.5.6力学特性影响因素研究…221
10.6小结…222
参考文献…222
第11章先进增材制造技术助力微结构材料…225
11.1引言…225
11.2快速成型制造技术…225
11.33D打印技术简介及分类…228
11.43D打印技术+制造业…230
11.53D打印用材…233
11.63D打印微结构材料轻量化…239
11.73D打印技术未来前景…240
11.8小结…242
参考文献…243
展望——智能驾驶融合轻量化技术…244