1. Definice

Kompozitní materiály jsou nové materiály tvořené optimalizací a kombinací různých vlastností materiálových komponent pomocí pokročilých technik přípravy materiálu. Obecná definice kompozitních materiálů vyžaduje splnění následujících podmínek:

i) kompozitní materiály musí být umělé a navrženy a vyrobeny podle potřeb lidí;

ii) kompozitní materiály musí být složeny ze dvou nebo více materiálových složek s různými chemickými a fyzikálními vlastnostmi, kombinovaných v navržené formě, proporci a distribuci, s jasnými rozhraními mezi každou složkou;

iii) má konstrukční navrhovatelnost a může být použita pro návrh kompozitní konstrukce;

iv) Kompozitní materiály nejen udržují výhody vlastnosti každého komponentního materiálu, ale také dosahují komplexního výkonu, kterého nelze dosáhnout jedním komponentním materiálem prostřednictvím doplňkovosti a korelace vlastností každé komponenty.

Maticové materiály kompozitních materiálů jsou rozděleny do dvou kategorií: kovové a nekovové. Běžně používané kovové substráty zahrnují hliník, hořčík, měď, titan a jejich slitiny. Nekovové substráty zahrnují především syntetické pryskyřice, pryž, keramika, grafit, uhlík atd. Mezi hlavní výztužné materiály patří skleněná vlákna, uhlíková vlákna, borová vlákna, aramidová vlákna, karbidová vlákna křemíku, azbestová vlákna, vousy a kovy.

2. Klasifikace

Kompozitní materiály jsou směs. Hrála významnou roli v mnoha oblastech a nahrazuje mnoho tradičních materiálů. Kompozitní materiály jsou rozděleny na kompozitní materiály kovu na kov, nekovové na kov kompozitní materiály a nekovové na nekovové kompozitní materiály podle jejich složení. Podle svých konstrukčních charakteristik může být dále rozdělena na:

① kompozitní materiály vyztužené vlákny. Složit různé materiály vyztužené vlákny v rámci materiálu matrice. Jako jsou plasty vyztužené vlákny, kovy vyztužené vlákny atd.

② Laminované kompozitní materiály. Skládá se z povrchových materiálů a jádrových materiálů s různými vlastnostmi. Obvykle má povrchový materiál vysokou pevnost a je tenký; Jádrový materiál je lehký a má nízkou pevnost, ale má určitou tuhost a tloušťku. Je rozdělen do dvou typů: pevný sendvič a plášťový sendvič.

③ Jemnozrnné kompozitní materiály. V matrici rovnoměrně distribuujte tvrdé jemné částice, jako jsou slitiny zesílené disperzem, kovová keramika atd.

④ Hybridní kompozitní materiály. Skládá se ze dvou nebo více materiálů výztužné fáze smíchaných v jednom materiálu maticové fáze. Ve srovnání s běžnými jednofázovými kompozitními materiály jsou jeho nárazová pevnost, únavová pevnost a lomová houževnatost výrazně zlepšeny a má speciální tepelné roztažnosti. Rozděleno na vnitřní hybridní, mezivrstvé hybridní, sendvičové hybridní, intra/mezivrstvé hybridní a super hybridní kompozitní materiály.

Kompozitní materiály lze rozdělit hlavně do dvou kategorií: konstrukční kompozitní materiály a funkční kompozitní materiály.

Konstrukční kompozitní materiály jsou materiály používané jako nosné konstrukce, které se v zásadě skládají z výztužných prvků, které odolají zatížení, a matricových prvků, které mohou spojit výztužné prvky do celého materiálu a zároveň přenášet síly. Výztuže zahrnují různé typy skla, keramiky, uhlíku, polymerů, kovů, stejně jako přírodní vlákna, tkaniny, vousy, listy a částice, zatímco matrice zahrnují polymery (pryskyřice), kovy, keramika, sklo, uhlík a cement. Různé konstrukční kompozitní materiály mohou být složeny z různých výztužných prostředků a matic a pojmenovány podle použité matrice, jako jsou kompozitní materiály na bázi polymerů (pryskyřice). Charakteristikou konstrukčních kompozitních materiálů je, že mohou být navrženy pro výběr komponent podle požadavků napětí materiálu během používání, a co je důležitější, může být také proveden návrh kompozitní konstrukce, tj. návrh uspořádání výztuže, který může rozumně uspokojit potřeby a ušetřit materiály.

Funkční kompozitní materiály se obecně skládají z funkčních složek těla a maticových složek, které nejen hrají roli při tvorbě celku, ale také může vytvářet synergické nebo posilující funkce. Funkční kompozitní materiály se vztahují na kompozitní materiály, které poskytují jiné fyzikální vlastnosti než mechanické vlastnosti. Například vodivost, supravodivost, polovodič, magnetismus, piezoelektricka, tlumení, absorpce, přenos, tření, stínění, zpomalování hoření, tepelná odolnost, absorpce zvuku, izolace atd. zdůrazňují určitou funkci. Společně označované jako funkční kompozitní materiály. Funkční kompozitní materiály se skládají především z funkčních těles, výztužných těles a matic. Funkční tělesa mohou být složeny z jednoho nebo více funkčních materiálů. Multifunkční kompozitní materiály mohou mít více funkcí. Mezitím je také možné generovat nové funkce díky kompozitním efektům. Multifunkční kompozitní materiály jsou směrem vývoje funkčních kompozitních materiálů.

Kompozitní materiály lze také rozdělit do dvou kategorií: běžně používané a pokročilé.

Běžné kompozitní materiály, jako jsou skleněné vlákna, se skládají z nízkých výztuží, jako jsou skleněná vlákna a běžné vysoké polymery (pryskyřice). Díky své nízké ceně byl široce používán v různých oblastech, jako jsou lodě, vozidla, chemické potrubí a skladovací nádrže, stavební konstrukce a sportovní vybavení.

Pokročilé kompozitní materiály odkazují na kompozitní materiály složené z vysoce výkonných tepelně odolných polymerů, jako jsou uhlíková vlákna a aramid. Později byly také zahrnuty kovové, keramické, uhlíkové (grafitové) a funkční kompozitní materiály. Přestože mají vynikající výkon, jejich ceny jsou relativně vysoké, používají se především v obranném průmyslu, letectví, přesných strojích, hlubokomořských ponorných lodích, konstrukčních komponentách robotů a špičkovém sportovním vybavení.

3. Aplikace

Hlavní oblasti použití kompozitních materiálů jsou:

① Letecké pole. Díky své dobré tepelné stabilitě, vysoké specifické pevnosti a tuhosti mohou být kompozitní materiály použity k výrobě křídel a předních těles letadel, satelitních antén a jejich nosných konstrukcí, křídel a skořepin solárních článků, velkých skořepin startovních vozidel, skořepin motorů, konstrukčních komponent kosmické raketoplány atd.

② Automobilový průmysl. Díky speciálním vlastnostem tlumení vibrací kompozitních materiálů mohou snížit vibrace a hluk, mají dobrou odolnost proti únavě, jsou snadno opravitelné po poškození a jsou snadno tvořitelné jako celek.

③ V oblastech chemické, textilní a strojní výroby. Materiál složený z uhlíkových vláken a matrice pryskyřice s dobrou odolností proti korozi, který lze použít k výrobě chemických zařízení, textilních strojů, papírových strojů, kopírek, vysokorychlostních obráběcích strojů, přesných nástrojů atd.

④ Lékařský obor. Kompozitní materiály uhlíkových vláken mají vynikající mechanické vlastnosti a neabsorpci rentgenového záření a mohou být použity k výrobě lékařských rentgenových strojů a ortopedických stentů. Kompozitní materiály uhlíkových vláken mají také biokompatibilitu a krevní kompatibilitu, dobrou stabilitu v biologickém prostředí a jsou také používány jako biomedicínské materiály. Kromě toho se kompozitní materiály používají také pro výrobu sportovního vybavení a jako stavební materiály.

4. kompozitní materiál modifikovaný fosforečnanem zirkonu

V posledních letech zaujaly polymerní/anorganické vrstvené nanokompozity širokou pozornost díky svým vynikajícím vlastnostem v různých aspektech. Četné studie ukázaly, že mechanické a tepelné vlastnosti kompozitních materiálů lze výrazně zlepšit s malým obsahem nano anorganických plniv. V současné době existuje mnoho studií o nanokompozitách anorganických vrstvených materiálů, jako je montmorillonit a attapulgit s polymery, ale existuje relativně málo výzkumu nanokompozitů polymeru/fosforečnanu zirkonu.

Laminát α-ZrP má stabilní strukturu a dokáže udržet relativně stabilní laminát i po zavedení hosta do mezivrstvy. Má také velkou kapacitu iontové výměny a má kontrolovatelný poměr stran a úzké rozložení velikosti částic, čímž je vhodný pro přípravu polymerů/vrstvených anorganických nanokompozitů. Pro zvýšení mezivrstvého vzdálenosti fosforečnanu zirkonu, podporu jeho delaminace v polymerní matrici a zvýšení kompatibility mezi vrstvami fosforečnanu zirkonu a polymerní matricí je nutná organická modifikace a-ZrP. α-ZrP je obecně modifikován s malými molekulami aminy nebo alkoholy prostřednictvím protonačních reakcí nebo vodíkové vazby uvnitř a vně jejich vrstev a může být také interkalován s velkými molekulami. Nicméně, vzhledem k malému mezivrstvému vzdálenosti, je obtížné přímo interkalovat velké molekuly, a obvykle vyžaduje malou molekulu před výměnou s velkými molekulami.

Dlouhé řetězce kvartérních amonných solí (DMA-CMS) byly syntetizovány pomocí oktadecyldimethylaminu (DMA) a p-chlormethylstyrenu (CMS). α-ZrP byl předem podporován methylaminem a následně vyměněn s DMA-CMS pro získání organicky modifikovaného zirkoniového fosfátu (ZrP. DMA. CMS). Organicky ošetřený fosforečnan zirkoniový byl následně smíchán s PS pro přípravu nanokompozitů PS/organicky modifikovaného fosforečnanu zirkoniového a byla studována jejich struktura a vlastnosti.

XRD analýza ukazuje, že dlouhé řetězce kvartérní amonné soli DMA-CMS je relativně snadné vložit mezi vrstvy α,ZrP po předpodpoře methylaminu. Po interkalaci se mezivrstvá vzdálenost zirkonofosfátu zvyšuje od 0,8 nm do 4,0 nm a interkalační efekt je významný. Nanokompozitní materiál připravený dvoušnekovou extruzí ZrP DMA-CMS modifikovaného zirkoniového fosforečnanu (ZrP DMA-CMS) a PS dále rozšiřuje mezivrstvé vzdálenosti od 4,0 nm na 4,3 nm ve srovnání se ZrP DMA-CMS, přičemž do mezivrstvy zirkoniového fosforečnanu vstupuje určitý polystyren.

Mechanická analýza ukazuje, že když je obsah fosforečnanu zirkonu 1%, pevnost v tahu, modul pružnosti, protažení při zlomení a nárazová pevnost nanokompozitů PS/organicky modifikovaného fosforečnanu zirkonu se zvýší o 4%, 21%, 8%, resp. 43%, resp. Ale se zvýšením obsahu zirkoniového fosforečnanu vykazují pevnost v tahu, pružnost, protažení při zlomení a nárazová pevnost nanokompozitů klesající trend a pevnost, tuhost a houževnatost materiálu začínají klesat. Přidání odpovídajícího množství organicky modifikovaného zirkoniového fosforečnanu ZrP DMA-CMS má určitý posilující a zpevňující účinek na PS.