複合材料雷射增材製造技術及應用

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李嘉寧
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具体描述

  雷射增材製造先進複合材料的研發是發展尖端技術的重要基礎,該類複合材料性能穩定性問題是工業生產中經常遇到的,有時會延緩甚至阻礙整個生產進展。為適應現代化製造工業的發展需要,實現雷射增材製造材料局部組織與性能一體化精準控制,進一步改進雷射增材製造複合材料的品質已非常重要。

  複合材料雷射增材製造技術有廣闊的應用前景,具有非常顯著的經濟及社會效益。本書對複合材料雷射增材製造技術的發展及應用進行介紹,全書共7章:第1章介紹雷射加工與增材製造技術的基本原理與發展情況;第2章介紹雷射增材製造工藝與裝備;第3章介紹複合材料雷射熔覆層局部-整體界面的結構、演變機理、結合機制及性能;第4~ 6章針對近年來廣受人們關注的先進材料,如金屬基/陶瓷複合材料、非晶- 奈米化複合材料、金屬元素改性複合材料等的雷射製造問題進行介紹;第7 章給出一些雷射增材複合材料的應用示例,用於指導相關理論研究及實際工業生產。

  全書針對近年來廣受人們關注的複合材料的雷射增材製造問題,對其製造原理、工藝特性、成形機理及局部組織等做了系統闡述,並給出了相關的應用示例,可指導相關理論研究及實際工業生產。

  本書可供從事材料開發及雷射增材製造領域的相關工程技術人員使用,也可供大學相關科系師生閱讀參考。
好的,这是一份关于一本名为《先进陶瓷基复合材料:结构、性能与应用》的图书简介。请注意,本简介内容与您提供的书名《複合材料雷射增材製造技術及應用》所涉及的特定主题(如激光增材制造技术)完全无关,旨在详细介绍一个独立的、但主题相近的材料科学领域。 --- 图书名称:先进陶瓷基复合材料:结构、性能与应用 作者: [虚构作者姓名,例如:王建国, 李明华] 出版社: [虚构出版社名称,例如:工业科学技术出版社] ISBN: [虚构ISBN号码] 图书简介: 引言:新时代的结构材料核心 随着航空航天、核能、高端装备制造以及能源领域对材料性能需求的日益严苛,传统金属材料的局限性愈发凸显。高温强度、耐腐蚀性、抗热震性以及低密度等综合性能的提升,已成为推动前沿技术发展的关键瓶颈。在此背景下,陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites, CMCs)作为一类具有卓越高温力学性能、高硬度和优异化学稳定性的结构材料,正迅速成为解决这些挑战的核心方案。《先进陶瓷基复合材料:结构、性能与应用》一书,旨在系统、深入地剖析这一前沿材料体系的科学原理、制备技术、性能表征及其在关键工程领域中的实际应用。 本书聚焦于构成CMCs的两个核心组成部分——基体陶瓷与增强体纤维/颗粒——以及它们之间复杂而精妙的界面作用。它不仅仅是一本技术手册,更是一部从微观结构到宏观性能演化的理论与实践结合的综合性著作。 第一部分:理论基础与材料体系 本书的开篇部分建立起读者对CMCs的全面理解。首先,详细阐述了陶瓷材料的固有特性,包括其脆性、高硬度、低断裂韧性等,为理解引入增强体以改善性能的必要性奠定基础。 随后,核心内容转向对增强体的分类与选择。这部分详尽对比了碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)等主流陶瓷基体的特性,并深入探讨了作为增强体的碳纤维、SiC纤维、硼酸盐纤维以及不同形态的颗粒增强体(如晶须和纳米颗粒)对复合材料力学性能的调控机制。重点分析了纤维/基体界面作为决定CMCs断裂行为和增强机制的关键要素,如何通过界面涂层(如热解碳、BN层)的优化来控制裂纹偏转、桥接和拔出等增韧过程。 第二部分:先进制备工艺与技术挑战 CMCs的制备是实现其优异性能的前提,也是当前研究的热点与难点。《先进陶瓷基复合材料:结构、性能与应用》投入大量篇幅阐述了当前主流的、具有工业应用潜力的制备技术。 书中详细介绍了渗透法,特别是化学气相渗透(CVI)和液相渗透-反应烧结(LPI/RBS)工艺。对于CVI,书籍深入解析了气体扩散、反应动力学以及温度梯度对手工件内部孔隙率和纤维浸润程度的影响,并讨论了如何通过优化工艺参数来减少内部应力集中和缺陷的产生。对于液相渗透方法,则侧重于浆料制备的流变学特性、填充效率的提升以及后续热处理过程中的相变控制。 此外,本书还专门开辟章节讨论了熔融浸渍-反应(MIMR)技术,特别是针对金属或金属间化合物基体材料(在此作为过渡或辅助材料介绍)的浸渍过程。针对纤维增强体易受损的特点,还探讨了熔盐浸渍法在制备某些特定氧化物基CMCs中的应用潜力。对于高密度、低孔隙率要求的部件,书中对高压烧结技术(如热等静压/HIP)在消除残余孔隙中的作用进行了详细的阐述。 第三部分:性能表征与断裂力学 如何量化CMCs的优异性能是评估其工程价值的关键。本部分系统介绍了用于表征CMCs的各项关键性能指标和测试方法。 力学性能: 重点阐述了CMCs区别于传统陶瓷的非线性、非脆性的应力-应变曲线。详细分析了纤维拉伸、弯曲强度测试(三点/四点弯曲)、断裂韧性(KIC)测试,特别是断裂表面能与裂纹偏转机制之间的定量关系。内容涵盖了纤维拔出功(Pull-out Work)在提高整体韧性中的贡献的计算模型。 热力学与环境行为: 考虑到CMCs主要应用于高温环境,书中深入分析了其在极端热循环条件下的热震抗性(Thermal Shock Resistance)。通过计算热应力系数和损伤容限参数,为设计抗热震结构提供了理论依据。同时,书中还涵盖了CMCs在氧化性或腐蚀性气氛下的高温腐蚀动力学,以及如何通过表面保护涂层来抑制基体氧化和增强界面稳定性。 第四部分:前沿应用与未来展望 本书的最后一部分将理论和技术成果落地,聚焦于CMCs在当前高技术领域中的实际应用案例。 航空发动机与燃气轮机: 详细介绍了CMCs在涡轮叶片、燃烧室衬里、导流叶片等高温关键部件上的应用潜力。分析了相比于镍基高温合金,CMCs在降低结构重量、提升工作温度方面的显著优势,以及面临的长期可靠性挑战。 航天器热防护系统(TPS): 探讨了CMCs在再入大气层过程中作为隔热瓦和结构承力件的应用,特别关注其在超高速飞行条件下的热负荷与应力分布情况。 核能领域: 针对先进反应堆(如快堆、高温气冷堆)对耐中子辐照和高热导率材料的需求,分析了特定SiC/SiC复合材料在核反应堆环境下的中子损伤机制、氦致泡核效应(Helium Embrittlement)及长期服役性能预测。 结语: 《先进陶瓷基复合材料:结构、性能与应用》汇集了当前材料科学领域中关于CMCs最前沿的研究成果,不仅为材料学、机械工程及航空航天专业的学生和研究人员提供了严谨的理论指导,也为工业界工程师在材料选择、工艺优化和部件设计方面提供了宝贵的参考蓝本。本书的出版,旨在推动CMCs从实验室走向大规模工程应用,支撑下一代高性能装备的研发。 ---

著者信息

图书目录

第1 章 雷射加工與增材製造技術
1.1 雷射加工的原理與特點
1.1.1 雷射加工原理
1.1.2 雷射加工特點
1.1.3 雷射加工工藝
1.2 增材製造技術概述
1.2.1 增材製造技術基本概念
1.2.2 增材製造技術發展現狀
1.2.3 增材製造技術發展趨勢
參考文獻

第2 章 雷射增材製造工藝及裝備
2.1 增材製造工藝
2.2 材料的添加方式
2.2.1 預置送粉
2.2.2 同步送粉
2.2.3 絲材送給
2.3 雷射的物理特性
2.3.1 雷射的特點
2.3.2 雷射產生原理
2.3.3 雷射光束品質
2.3.4 雷射光束形狀
2.4 雷射器
2.4.1 雷射器的基本組成
2.4.2 CO2 氣體雷射器
2.4.3 YAG 固體雷射器
2.4.4 光纖雷射器
2.5 數控雷射加工平臺及機器人
2.6 雷射選區熔化設備及工藝
2.6.1 雷射選區熔化設備
2.6.2 雷射選區熔化工藝
2.6.3 雷射選區熔化材料
2.7 模具鋼雷射選區熔化成形
2.7.1 SLM 孔隙形成原因
2.7.2 SLM 成形18Ni300 合金製備件
2.7.3 SLM 成形H13 合金製備件
參考文獻

第3 章 複合材料雷射熔覆層局部-整體界面
3.1 陶瓷相/γ-Ni 熔覆層局部界面結構及演變機理
3.1.1 帶核共晶組織局部界面結構
3.1.2 雷射能量密度對帶核共晶組織局部界面的影響
3.1.3 帶核共晶組織局部界面演變機理
3.2 Q550 鋼/鎳基熔覆層整體界面結合機製
3.2.1 整體界面顯微組織及元素分布
3.2.2 熔覆層/基體界面結構演變機理
3.3 Q550 鋼/寬束熔覆層整體界面剪切強度及斷裂特徵
3.3.1 寬束熔覆層界面剪切試驗
3.3.2 寬束雷射工藝參數對熔覆層剪切強度的影響
3.3.3 寬束熔覆層剪切斷口形貌及斷裂機製
參考文獻

第4 章 雷射熔覆金屬基/陶瓷複合材料
4.1 雷射熔覆材料
4.1.1 雷射熔覆材料的分類
4.1.2 雷射熔覆用粉末
4.1.3 雷射熔覆用絲材
4.2 T-i Al/陶瓷複合材料的設計
4.2.1 組織特徵
4.2.2 溫度場分布
4.2.3 工藝參數的影響
4.2.4 氮氣環境中 T-i Al/陶瓷的組織性能
4.2.5 稀土氧化物對 T-i Al/陶瓷的影響
4.3 Fe3 Al/陶瓷複合材料的設計
4.3.1 組織特徵
4.3.2 局部分析
4.3.3 耐磨性評價
參考文獻

第5 章 雷射熔覆非晶-奈米化複合材料
5.1 非晶化材料
5.1.1 非晶化原理
5.1.2 材料及工藝影響
5.1.3 非晶化材料發展方向
5.2 奈米晶化材料
5.2.1 奈米晶化原理
5.2.2 陶瓷與稀土氧化物的影響
5.2.3 奈米晶化材料缺陷
5.3 非晶-奈米晶相相互作用
5.3.1 相互作用機理
5.3.2 磨損形態
5.4 非晶-奈米化複合材料的設計
5.4.1 非晶包覆奈米晶
5.4.2 碳奈米管的使用
5.4.3 多物相混合作用分析
參考文獻

第6 章 金屬元素雷射改性複合材料
6.1 Cu 改性複合材料
6.1.1 Cu 對複合材料晶體生長形態的影響
6.1.2 Cu 對複合材料相組成的影響
6.1.3 Y2 O3 對Cu 改性複合塗層組織結構的影響
6.1.4 Cu 對複合材料奈米晶的催生
6.1.5 Cu 改性複合材料的非晶化
6.1.6 Cu 改性複合材料的組織性能
6.2 Zn 改性複合材料
6.3 Sb 改性複合材料
6.3.1 Sb 改性純Co 基複合材料
6.3.2 Sb 改性Co 基冰化複合材料
6.3.3 含Ta 陶瓷改性複合材料
參考文獻

第7 章 雷射熔覆及增材製造技術的應用
7.1 模具雷射熔覆增材
7.2 航空結構件雷射增材製造
7.3 鎂合金的雷射熔覆
7.4 鎳基高溫合金的雷射熔覆
7.5 鋼軋輥的雷射熔覆增材
7.6 汽車覆蓋件的雷射熔覆
7.7 數控刀具的雷射熔覆
參考文獻

 

图书序言

  • ISBN:9786263321229
  • 規格:平裝 / 296頁 / 17 x 23 x 1.48 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读



  先進複合材料的研究開發是多學科交叉融合的結果, 雷射增材製造融合電腦輔助設計、高能束流加工及材料快速成形等技術, 以數位化模型為基礎, 透過軟體與數控系統將特製材料逐層堆積固化製造出實體產品。雷射增材製造先進複合材料因具有優異的綜合性能而成為設計、製造高技術裝備所不可缺少的材料, 主要應用於高性能艦船、航空航天、核工業、電子、能源等工業領域。

  雷射增材製造先進複合材料的研發是發展尖端技術的重要基礎,該類複合材料性能穩定性問題是工業生產中經常遇到的,有時會延緩甚至阻礙整個生產進展。為適應現代化製造工業的發展需要,實現雷射增材製造材料局部組織與性能一體化精準調控,進一步改進雷射增材製造複合材料的品質已非常重要。

  本書注重先進性、新穎性與實用性,對複合材料雷射增材製造技術的發展及應用進行介紹,全書共7章:第1章介紹雷射加工與增材製造技術的基本原理與發展情況;第2章介紹雷射增材製造工藝與裝備;第3章介紹複合材料雷射熔覆層局部-整體界面的結構、演變機理、結合機製及性能;第4~ 6章針對近年來廣受人們關注的先進材料,如金屬基/陶瓷複合材料、非晶- 奈米化複合材料、金屬元素改性複合材料等的雷射製造問題進行介紹;第7 章給出一些雷射增材複合材料的應用示例,用於指導相關理論研究及實際工業生產。本書力求突出先進性、新穎性與實用性等特色,為解決複合材料雷射增材製造過程中的疑難問題及保證產品品質提供重要的技術資料和參考數據。

  本書可供從事材料開發及雷射增材製造領域的相關工程技術人員使用,也可供大學相關科系師生閱讀參考。

用户评价

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這本關於複合材料雷射增材製造技術的書,光是書名聽起來就充滿了前沿科技的氣息,雖然我手邊沒有這本書的實體內容可以參考,但光想像它涵蓋的廣度,就足以讓人對台灣在製造業的未來發展感到樂觀。我猜測,對於那些在機械工程、材料科學領域深耕的學者或業界人士來說,這本書大概就像是找到了失落已久的武功秘笈。書中想必會深入探討雷射光束如何精確地熔融、堆疊不同的複合材料粉末,這中間涉及的熱傳學、流體力學、以及微結構控制,每一個環節都牽動著最終成品的機械性能和服役壽命。特別是「複合材料」這塊,它意味著我們要處理的不只是單一材料的特性,而是纖維、基體之間界面結合的挑戰,以及如何確保在快速的增材過程中,這些複雜的組態能維持其設計意圖。我期望書中能多著墨於實際案例分析,例如在航太、生醫領域,這些高階應用對材料和製程的要求是何等嚴苛,以及如何透過先進的感測與回饋系統來即時修正製程參數,真正實現「智慧製造」的願景。若是能將理論與實務緊密結合,提供一套可複製的製程優化SOP,那這本書的價值就遠遠超出教科書的範疇,而是成為產業升級的重要推手了。

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說真的,現在的製造業簡直是日新月異,如果沒有跟上雷射增材製造(俗稱3D列印)這股浪潮,真的會被時代淘汰。我對這種探討「技術與應用」的書籍特別感興趣,它代表的不僅是學術上的突破,更是產業鏈轉型的關鍵密碼。從一個外行人的角度來看,複合材料本身就是材料科學的魔術,它結合了不同材料的優點,比如高強度與輕量化的平衡。而當你把這個複雜的材料體系,丟進雷射的極高能量場域中進行「疊加成形」,中間的變數簡直是天文數字。這本書若能清晰地梳理出不同雷射路徑規劃對孔隙率和層間黏著力的影響,那就太棒了。我猜想,書中應該會花很大的篇幅去解析「參數窗口」的設定,畢竟雷射功率、掃描速度、層厚度,每一個微小的調整都可能導致零件報廢。而且,對於台灣中小企業來說,從傳統加工轉型到高階製造,最大的門檻就是know-how的累積。如果這本書能提供一套從材料選擇到後處理工藝(例如熱處理或機械加工)的完整流程指導,幫助業者降低試錯成本,那簡直是功德無量。我非常期待看到它如何闡述如何克服複合材料在雷射熔池中發生的異相分離或纖維燒蝕等頑固問題。

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這本《複合材料雷射增材製造技術及應用》,聽起來就是一本非常硬核、專注於解決方案的專著。我猜測,它在「應用」這一塊的著墨一定相當深入,畢竟光有技術,沒有對應的市場需求,一切都是空談。在台灣,我們一直強調要從「代工」走向「設計製造」,而增材製造正好提供了這種靈活度,可以快速製作複雜幾何形狀的原型乃至最終零件。我個人比較好奇的是,書中對於「成本效益分析」的探討,畢竟雷射設備和高性能粉末的成本都不低。如何平衡製造的精度、速度與最終產品的商業可行性,是所有工程師頭痛的問題。更進一步,如果書中能針對特定產業鏈,比如電動車的輕量化結構件,或是高階醫療植入物,提供一套基於雷射增材製造的設計準則(Design for Additive Manufacturing, DfAM),那將會極具參考價值。要知道,用傳統的思維去設計增材製造的零件,往往無法發揮其最大的優勢。我希望這本書能夠引導讀者跳脫傳統思維,真正領悟到如何「設計」出只屬於增材製造的、複雜且優化的結構。

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閱讀這類高技術書籍,最怕的就是內容過於理論化,變成一堆寫給AI看的術語堆疊。我希望這本關於雷射增材製造的書,在探討「複合材料」時,能夠展現出極高的實戰性。複合材料的複雜性,不僅在於材料本身,更在於雷射能量導入後,內部產生的殘留應力如何影響層與層之間的結合力。我猜測,書中必然會涵蓋光學設計、掃描策略的優化,因為這些直接決定了能量的均勻分佈。如果它能提供一些案例,說明如何利用不同光斑形狀或多雷射頭協同工作,來控制熔池的冷卻速率,以避免產生微裂紋或組織偏析,那就太厲害了。此外,現今製造業非常重視「品質保證」。我很好奇,書中是否提及了非破壞性檢測(NDT)技術,例如超音波或X光掃描,如何被整合到增材製造的監測流程中,以確保每一層都符合嚴格的標準。畢竟,航太或醫療級的零件,容錯率是趨近於零的。這本書若能提供一套從製程到檢測的閉環管理思維,將是極大的貢獻。

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對於一個關注台灣高階製造升級的觀察者來說,這本書的問世無疑是個信號,代表我們在「差異化競爭」上又往前邁進了一步。複合材料的雷射增材製造,本質上就是一種極致的材料與能量的精準控制藝術。我猜測,書的結構或許是從基礎的雷射與粉末交互作用物理學開始,逐步深入到不同類型複合材料(例如碳纖維增強、陶瓷基複合材料)的製程挑戰。令我特別期待的是,書中對於後處理工藝的論述深度。增材製造的零件,很少能直接使用,它們需要經過熱等靜壓(HIP)、表面修飾等步驟來優化其最終性能。如果這本書能系統性地比較不同後處理方法對消除內部應力、提升介面結合力的成效,並提供量化的數據支持,那對於指導實際的生產線操作將有莫大的幫助。它不該只是一本技術手冊,更應該是一本「策略指南」,教導我們如何利用這項尖端技術,在國際競爭中為台灣的製造業開闢出一條新的藍海。

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