1. Definition

Composite materialer er nye materialer dannet ved at optimere og kombinere forskellige egenskaber af materialekomponenter ved hjælp af avancerede materialepræparationsteknikker. Den generelle definition af kompositmaterialer kræver, at følgende betingelser er opfyldt:

i) Composite materialer skal være kunstige og konstrueret og fremstillet i overensstemmelse med folks behov

ii) Sammensattede materialer skal bestå af to eller flere materialekomponenter med forskellige kemiske og fysiske egenskaber kombineret i den konstruerede form, proportion og fordeling med klare grænseflader mellem hver komponent

(iii) Det har strukturel designbarhed og kan bruges til kompositstruktur design

(iv) Composite materialer opretholder ikke blot fordelene ved hvert komponentmateriales ydeevne, men opnår også omfattende ydeevne, som ikke kan opnås af et enkelt komponentmateriale gennem komplementaritet og korrelation af hver komponents ydeevne.

Matrixmaterialerne af kompositmaterialer er opdelt i to kategorier: metalliske og ikke-metalliske. Almindeligt anvendte metalstrater omfatter aluminium, magnesium, kobber, titan og deres legeringer. Ikke-metalliske substrater omfatter hovedsageligt syntetiske harpikser, gummi, keramik, grafit, kulstof osv. De vigtigste forstærkningsmaterialer omfatter glasfiber, kulfiber, bor fiber, aramidfiber, siliciumcarbid fiber, asbestfiber, whiskers og metaller.

2. Klassificering

Composite materialer er en blanding. Det har spillet en betydelig rolle på mange områder og erstattet mange traditionelle materialer. Composite materialer er opdelt i metal til metal kompositmaterialer, ikke-metal til metal kompositmaterialer og ikke-metal til ikke-metal kompositmaterialer i henhold til deres sammensætning. Ifølge dens strukturelle karakteristika kan den yderligere opdeles i:

① Fiberforstærkede kompositmaterialer. Sammensatte forskellige fiberforstærkede materialer inden for matrixmaterialet. Som fiberforstærket plast, fiberforstærkede metaller osv.

② Laminerede kompositmaterialer. Består af overfladematerialer og kernematerialer med forskellige egenskaber. Normalt har overfladematerialet høj styrke og er tyndt; Kernematerialet er let og har lav styrke, men det har en vis stivhed og tykkelse. Det er opdelt i to typer: solid sandwich og honningcomb sandwich.

② Finkornede kompositmaterialer. Fordele hårde fine partikler ensartet i matrix, såsom dispersionsstyrkede legeringer, metalkeramik osv.

② Hybrid kompositmaterialer. Består af to eller flere forstærkningsfasematerialer blandet i ét matrixfasemateriale. Sammenlignet med almindelige enkelt forstærkede fasekompositmaterialer forbedres dens slagstyrke, træthedsstyrke og brudsejhed betydeligt, og det har særlige termiske ekspansionsegenskaber. Opdelt i intra lag hybrid, inter lag hybrid, sandwich hybrid, intra / inter lag hybrid og super hybrid kompositmaterialer.

Composite materialer kan hovedsageligt opdeles i to kategorier: strukturelle kompositmaterialer og funktionelle kompositmaterialer.

Strukturkompositmaterialer er materialer, der anvendes som bærende strukturer, som grundlæggende består af forstærkelseselementer, der kan modstå belastninger, og matrix elementer, der kan forbinde forstærkelseselementerne til et helt materiale, samtidig med at de overfører kræfter. Forstærkninger omfatter forskellige typer glas, keramik, kulstof, polymerer, metaller, såvel som naturlige fibre, stoffer, whiskers, plader og partikler, mens matricer omfatter polymerer (harpikser), metaller, keramik, glas, kulstof og cement. Forskellige strukturelle kompositmaterialer kan sammensættes af forskellige forstærkende midler og matricer, og navngivet efter den anvendte matrix, såsom polymer (harpiks) baserede kompositmaterialer. Karakteristikken ved strukturelle kompositmaterialer er, at de kan designes til komponentudvælgelse i henhold til kravene til materialets stress under brug, og vigtigere kan kompositstrukturens design også udføres, det vil sige forstærkning arrangement design, som med rimelighed kan opfylde behovene og gemme materialer.

Funktionelle kompositmaterialer består generelt af funktionelle kropskomponenter og matrixkomponenter, som ikke kun spiller en rolle i dannelsen af helheden, men også kan producere synergistiske eller forstærkende funktioner. Funktionelle kompositmaterialer refererer til kompositmaterialer, der giver andre fysiske egenskaber end mekaniske egenskaber. For eksempel fremhæver ledningsevne, supraledningsevne, halvleder, magnetisme, piezoelektricitet, dæmpning, absorption, transmission, friktion, afskærmning, flammehæmmende, varmebestandighed, lydabsorption, isolering osv. en bestemt funktion. Samlet benævnt funktionelle kompositmaterialer. Funktionelle kompositmaterialer består hovedsageligt af funktionelle kroppe, forstærkende kroppe og matricer. Funktionelle kroppe kan sammensættes af et eller flere funktionelle materialer. Multifunktionelle kompositmaterialer kan have flere funktioner. I mellemtiden er det også muligt at generere nye funktioner på grund af sammensatte effekter. Multifunktionelle kompositmaterialer er udviklingsretningen af funktionelle kompositmaterialer.

Composite materialer kan også opdeles i to kategorier: almindeligt anvendt og avanceret.

Almindelige kompositmaterialer såsom glasfiber er sammensat af lav ydeevne forstærkninger såsom glasfibre og almindelige høje polymerer (harpikser). På grund af sin lave pris er det blevet udbredt inden for forskellige områder såsom skibe, køretøjer, kemiske rørledninger og lagertanke, bygningsstrukturer og sportsudstyr.

Avancerede kompositmaterialer refererer til kompositmaterialer, der består af højtydende varmebestandige polymerer som kulfiber og aramid, senere metalbaserede, keramiske baserede, kulstof (grafit) baserede og funktionelle kompositmaterialer blev også inkluderet. Selvom de har fremragende ydeevne, deres priser er relativt høje, hovedsageligt bruges i forsvarsindustrien, luftfart, præcisionsmaskiner, dybhavsundervand, robotstrukturelle komponenter og high-end sportsudstyr.

3. Anvendelse

De vigtigste anvendelsesområder for kompositmaterialer er:

① Luftfartsfelt. På grund af deres gode termiske stabilitet, høje specifikke styrke og stivhed kan kompositmaterialer bruges til fremstilling af fly vinger og fordele, satellitantenner og deres støttestrukturer, solcellevinger og skaller, store affyringskøretøjsskaller, motorskaller, rumfærge strukturelle komponenter osv.

② Bilindustrien. På grund af kompositmaterialernes særlige vibrationsdæmpningsegenskaber kan de reducere vibrationer og støj, have god træthedsbestandighed, er lette at reparere efter beskadigelse og er lette at danne som helhed.Derfor kan de bruges til at fremstille biler karrosserier, bærende komponenter, transmissionsaksler, motorbeslag og deres interne komponenter.

② Inden for kemisk, tekstil og maskinproduktion. Et materiale bestående af kulfiber og harpiks matrix med god korrosionsbestandighed, som kan bruges til fremstilling af kemisk udstyr, tekstilmaskiner, papirmaskiner, kopimaskiner, højhastighedsværktøjsmaskiner, præcisionsinstrumenter osv.

② Medicinsk område. Kulfiberkompositmaterialer har fremragende mekaniske egenskaber og ikke absorption af røntgenstråler, og kan bruges til at fremstille medicinske røntgenmaskiner og ortopædiske stents. Kulfiberkompositmaterialer har også biokompatibilitet og blodkompatibilitet, god stabilitet i biologiske miljøer og bruges også som biomedicinske materialer. Derudover anvendes kompositmaterialer også til fremstilling af sportsudstyr og som byggematerialer.

4. Zirconiumfosfatmodificeret kompositmateriale

I de seneste år har polymer/uorganiske lag nanokompositter tiltrukket stor opmærksomhed på grund af deres fremragende egenskaber i forskellige aspekter.Talrige undersøgelser har vist, at de mekaniske og termiske egenskaber af kompositmaterialer kan forbedres betydeligt med et lille indhold af nano uorganiske fyldstoffer. På nuværende tidspunkt har der været mange undersøgelser af nanokompositter af uorganiske lag materialer såsom montmorillonit og attapulgit med polymerer, men der er relativt lidt forskning på polymer / zirconium phosphat nanokompositter.

α - ZrP laminatet har en stabil struktur og kan opretholde et relativt stabilt laminat selv efter indførelsen af gæsten i mellemlaget. Det har også en stor ionudvekslingskapacitet og har kontrollerbare aspektforhold og smal partikelstørrelsesfordeling, hvilket gør det velegnet til fremstilling af polymer/lag uorganiske nanokompositter. For at øge mellemlagsafstanden mellem zirconiumphosphat, fremme dets delaminering i polymermatrix og forbedre kompatibiliteten mellem zirconiumphosphatlag og polymermatrix kræves organisk modifikation af a-ZrP. α - ZrP modificeres generelt med små molekyleaminer eller alkoholer gennem - OH protonationsreaktioner eller hydrogenbinding inde og uden for deres lag, og kan også veksles med store molekyler. På grund af den lille mellemlagsafstand er det dog vanskeligt at veksle store molekyler direkte, og normalt kræver små molekyler forhåndsstøtte, før de udveksles med store molekyler.

Langkædede kvaternære ammoniumsalte (DMA- CMS) blev syntetiseret ved hjælp af octadecyldimethylamin (DMA) og p- chlormethylstyren (CMS). α- ZrP blev forhåndsstøttet med methylamin og derefter udvekslet med DMA- CMS for at opnå organisk modificeret zirconiumphosphat (ZrP. DMA. CMS). Den organisk behandlede zirconiumphosphat blev derefter smeltet blandet med PS for at fremstille PS / organisk modificerede zirconiumphosphat nanokompositter, og deres struktur og egenskaber blev undersøgt.

XRD analyse viser, at langkædede kvaternært ammoniumsalt DMA-CMS er relativt let at indsætte mellem lagene α - ZrP efter methylamin pre support. Efter interkalation øges mellemlagsafstanden af zirconiumphosphat fra 0,8 nm til 4,0 nm, og interkalationseffekten er signifikant. Nanokompositmaterialet fremstillet ved twin-skrue ekstrudering af ZrP DMA-CMS modificeret zirconiumphosphat (ZrP DMA-CMS) og PS udvider yderligere mellemlag afstand fra 4,0 nm til 4,3 nm sammenlignet med ZrP DMA-CMS, med noget polystyren ind i mellemlag af zirconiumphosphat.

Mekanisk analyse viser, at når indholdet af zirconiumphosphat er 1%, øges trækstyrken, elastisk modul, brudforlængelse og slagstyrke af PS / organisk modificeret zirconiumphosphat nanokompositter med henholdsvis 4%, 21%, 8% og 43%. Men med stigningen i zirconiumfosfatindholdet viser trækstyrken, elastisk modul, forlængelse ved brud og slagstyrke af nanokompositter en nedadgående tendens, og styrken, stivheden og sejheden af materialet begynder at falde. Tilsætning af en passende mængde organisk modificeret zirconiumphosphat ZrP DMA-CMS har en vis styrkende og hærdende virkning på PS.