1. Ορισμός

Τα σύνθετα υλικά είναι νέα υλικά που σχηματίζονται με τη βελτιστοποίηση και τον συνδυασμό διαφορετικών ιδιοτήτων των υλικών συστατικών χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές προετοιμασίας υλικών. Ο γενικός ορισμός των σύνθετων υλικών απαιτεί να πληρούνται οι ακόλουθες προϋποθέσεις:

Τα σύνθετα υλικά πρέπει να είναι τεχνητά και σχεδιασμένα και κατασκευασμένα σύμφωνα με τις ανάγκες των ανθρώπων·

Τα σύνθετα υλικά πρέπει να αποτελούνται από δύο ή περισσότερα υλικά συστατικά με διαφορετικές χημικές και φυσικές ιδιότητες, συνδυασμένα με τη σχεδιασμένη μορφή, αναλογία και κατανομή, με σαφείς διεπαφές μεταξύ κάθε συστατικού·

(iii) Έχει δομική σχεδιαστικότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σύνθετο σχεδιασμό δομών·

(iv) Τα σύνθετα υλικά όχι μόνο διατηρούν τα πλεονεκτήματα της απόδοσης κάθε συστατικού υλικού, αλλά επιτυγχάνουν επίσης ολοκληρωμένες επιδόσεις που δεν μπορούν να επιτευχθούν από ένα ενιαίο συστατικό υλικό μέσω της συμπληρωματικότητας και της συσχέτισης των επιδόσεων κάθε συστατικού.

Τα υλικά μήτρας των σύνθετων υλικών χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: μεταλλικά και μη μεταλλικά. Τα κοινά χρησιμοποιούμενα μεταλλικά υποστρώματα περιλαμβάνουν αλουμίνιο, μαγνήσιο, χαλκό, τιτάνιο, και τα κράματά τους. Τα μη μεταλλικά υποστρώματα περιλαμβάνουν κυρίως τις συνθετικές ρητίνες, το λάστιχο, την κεραμική, τον γραφίτη, τον άνθρακα, κ.λπ. Τα κύρια ενισχυτικά υλικά περιλαμβάνουν ίνες γυαλιού, ίνες άνθρακα, ίνες βορίου, ίνες αραμίδης, ίνες καρβιδίου πυριτίου, ίνες αμίαντου, μουστάκια, και μέταλλα.

2. Ταξινόμηση

Τα σύνθετα υλικά είναι ένα μείγμα. Έχει διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε πολλούς τομείς, αντικαθιστώντας πολλά παραδοσιακά υλικά. Τα σύνθετα υλικά χωρίζονται σε σύνθετα υλικά μετάλλων σε μέταλλο, σύνθετα υλικά μη μετάλλων σε μέταλλο και σύνθετα υλικά μη μετάλλων σε μη μεταλλικά σύμφωνα με τη σύνθεσή τους. Σύμφωνα με τα δομικά χαρακτηριστικά του, μπορεί να χωριστεί περαιτέρω σε:

① Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες. Σύνθεση διαφόρων ινών ενισχυμένων υλικών μέσα στο υλικό μήτρας. Όπως τα ενισχυμένα με ίνες πλαστικά, τα ενισχυμένα με ίνες μέταλλα, κ.λπ.

② Σύνθετα υλικά σε στρώματα. Αποτελείται από υλικά επιφάνειας και υλικά πυρήνων με διαφορετικές ιδιότητες. Συνήθως, το υλικό επιφάνειας έχει υψηλή αντοχή και είναι λεπτό. Το υλικό πυρήνων είναι ελαφρύ και έχει χαμηλή αντοχή, αλλά έχει μια ορισμένη ακαμψία και πάχος. Χωρίζεται σε δύο τύπους: στερεό σάντουιτς και κυψελωτό σάντουιτς.

③ Σύνθετα υλικά λεπτόκοκκα. Ομοίως διανείμετε τα σκληρά λεπτά μόρια στη μήτρα, όπως τα ενισχυμένα κράματα διασποράς, τα κεραμικά μετάλλων, κ.λπ.

④ Υβριδικά σύνθετα υλικά. Αποτελείται από δύο ή περισσότερα υλικά ενισχυτικής φάσης αναμεμειγμένα σε υλικό φάσης μιας μήτρας. Σε σύγκριση με τα συνηθισμένα σύνθετα υλικά ενιαίας ενισχυμένης φάσης, η αντοχή αντίκτυπου, η αντοχή κούρασης, και η ανθεκτικότητα θραύσης βελτιώνονται σημαντικά, και έχει τις ειδικές ιδιότητες θερμικής επέκτασης. Χωρίζεται σε υβρίδιο ενδοστρώματος, υβρίδιο μεταξύ στρώματος, υβρίδιο σάντουιτς, υβρίδιο ενδοστρώματος και εξαιρετικά υβριδικά σύνθετα υλικά.

Τα σύνθετα υλικά μπορούν να χωριστούν κυρίως σε δύο κατηγορίες: δομικά σύνθετα υλικά και λειτουργικά σύνθετα υλικά.

Τα δομικά σύνθετα υλικά είναι υλικά που χρησιμοποιούνται ως φέρουσες δομές, τα οποία αποτελούνται βασικά από στοιχεία ενίσχυσης που μπορούν να αντέξουν τα φορτία και στοιχεία μήτρας που μπορούν να συνδέσουν τα στοιχεία ενίσχυσης σε ένα ολόκληρο υλικό ενώ επίσης μεταδίδουν δυνάμεις. Οι ενισχύσεις περιλαμβάνουν διάφορους τύπους γυαλιού, κεραμικών, άνθρακα, πολυμερών, μετάλλων, καθώς και φυσικές ίνες, υφάσματα, μουστάκια, φύλλα και σωματίδια, ενώ οι μήτρες περιλαμβάνουν πολυμερή (ρητίνες), μέταλλα, κεραμικά, γυαλί, άνθρακα και τσιμέντο. Διάφορα δομικά σύνθετα υλικά μπορούν να αποτελούνται από διαφορετικούς ενισχυτικούς παράγοντες και μήτρες, και να ονομαστούν από τη μήτρα που χρησιμοποιείται, όπως σύνθετα υλικά βασισμένα σε πολυμερή (ρητίνη). Το χαρακτηριστικό των δομικών σύνθετων υλικών είναι ότι μπορούν να σχεδιαστούν για την επιλογή συστατικών σύμφωνα με τις απαιτήσεις της πίεσης του υλικού κατά τη διάρκεια της χρήσης, και το σημαντικότερο, το σύνθετο σχέδιο δομών μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί, δηλαδή, το σχέδιο ρύθμισης ενίσχυσης, το οποίο μπορεί λογικά να καλύψει τις ανάγκες και να σώσει τα υλικά.

Τα λειτουργικά σύνθετα υλικά αποτελούνται γενικά από λειτουργικά συστατικά σώματος και συστατικά Η μήτρα όχι μόνο παίζει ρόλο στη διαμόρφωση του συνόλου, αλλά μπορεί επίσης να παράγει συνεργικές ή ενισχυτικές λειτουργίες. Τα λειτουργικά σύνθετα υλικά αναφέρονται σε σύνθετα υλικά που παρέχουν φυσικές ιδιότητες άλλες από τις μηχανικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, η αγωγιμότητα, η υπεραγωγιμότητα, ο ημιαγωγός, ο μαγνητισμός, η πιεζοηλεκτρική ενέργεια, η απόσβεση, η απορρόφηση, η μετάδοση, η τριβή, η θωράκιση, η επιβράδυνση φλόγας, η αντίσταση θερμότητας, η ηχητική απορρόφηση, η μόνωση, κ.λπ. τονίζουν μια ορισμένη λειτουργία. Γνωριζόμαστε συλλογικά ως λειτουργικά σύνθετα υλικά. Τα λειτουργικά σύνθετα υλικά αποτελούνται κυρίως από λειτουργικά σώματα, ενισχυτικά σώματα και μήτρες. Τα λειτουργικά σώματα μπορούν να αποτελούνται από ένα ή περισσότερα λειτουργικά υλικά. Τα πολυλειτουργικά σύνθετα υλικά μπορούν να έχουν πολλαπλάσιες λειτουργίες. Εν τω μεταξύ, είναι επίσης δυνατή η παραγωγή νέων λειτουργιών λόγω σύνθετων αποτελεσμάτων. Τα πολυλειτουργικά σύνθετα υλικά είναι η κατεύθυνση ανάπτυξης των λειτουργικών σύνθετων υλικών.

Τα σύνθετα υλικά μπορούν επίσης να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: συνήθως χρησιμοποιημένα και προηγμένα.

Τα κοινά σύνθετα υλικά όπως το φίμπεργκλας αποτελούνται από ενισχύσεις χαμηλής απόδοσης όπως οι ίνες γυαλιού και τα συνηθισμένα υψηλά πολυμερή (ρητίνες). Λόγω της χαμηλής τιμής του, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στους διάφορους τομείς όπως τα πλοία, τα οχήματα, οι χημικοί αγωγοί και οι δεξαμενές αποθήκευσης, οι δομές οικοδόμησης, και ο αθλητικός εξοπλισμός.

Τα προηγμένα σύνθετα υλικά αναφέρονται σε σύνθετα υλικά που αποτελούνται από υψηλής απόδοσης ανθεκτικά στη θερμότητα πολυμερή όπως ίνες άνθρακα και Αργότερα, βασισμένα σε μέταλλο, κεραμικά, άνθρακα (γραφίτη) και λειτουργικά σύνθετα υλικά συμπεριλήφθηκαν επίσης. Αν και έχουν εξαιρετική απόδοση, οι τιμές τους είναι σχετικά υψηλές, που χρησιμοποιούνται κυρίως στην αμυντική βιομηχανία, την αεροδιαστημική, τα μηχανήματα ακρίβειας, τα υποβρύχια σκάφη βαθιάς θάλασσας, τα δομικά συστατικά ρομπότ, και τον αθλητικό εξοπλισμό υψηλών σημείων.

3. Εφαρμογή

Οι κύριοι τομείς εφαρμογής των σύνθετων υλικών είναι:

① Αεροδιαστημικό πεδίο. Λόγω της καλής θερμικής σταθερότητας τους, της υψηλής ειδικής αντοχής, και της ακαμψίας, τα σύνθετα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή φτερών και εμπρόσθιων σωμάτων αεροσκαφών, των δορυφορικών κεραιών και των υποστηρικτικών δομών τους, των φτερών και των κοχυλιών ηλιακών κυττάρων, των μεγάλων κοχυλιών οχημάτων εκτόξευσης, των κοχυλιών μηχανών, των δομικών συστατικών διαστημικών αεροσκαφών, κ.λπ.

② Η αυτοκινητοβιομηχανία. Λόγω των ειδικών χαρακτηριστικών απόσβεσης δόνησης των σύνθετων υλικών, μπορούν να μειώσουν τη δόνηση και το θόρυβο, να έχουν καλή αντοχή στην κούραση, είναι εύκολο να επισκευαστούν μετά από ζημία, και είναι εύκολο να διαμορφωθούν ως σύνολο Ως εκ τούτου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή αυτοκινήτων σωμάτων, φέροντα εξαρτήματα, άξονες μετάδοσης, στηρίγματα μηχανών, και τα εσωτερικά συστατικά τους.

③ Στους τομείς της χημικής, κλωστοϋφαντουργικής και κατασκευής μηχανημάτων. Ένα υλικό που αποτελείται από τη μήτρα ινών άνθρακα και ρητίνης με την καλή αντίσταση διάβρωσης, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κατασκευάσει χημικό εξοπλισμό, κλωστοϋφαντουργικές μηχανές, μηχανές εγγράφου, αντιγραφικά μηχανήματα, εργαλεία υψηλής ταχύτητας, όργανα ακρίβειας, κ.λπ.

④ Ιατρικός τομέας. Τα σύνθετα υλικά ινών άνθρακα έχουν τις άριστες μηχανικές ιδιότητες και τη μη απορρόφηση των ακτίνων Χ, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ιατρικών μηχανών ακτίνων Χ και ορθοπεδικών στεντ. Τα σύνθετα υλικά ινών άνθρακα έχουν επίσης βιοσυμβατότητα και συμβατότητα αίματος, καλή σταθερότητα στα βιολογικά περιβάλλοντα, και χρησιμοποιούνται επίσης ως βιοϊατρικά υλικά. Επιπλέον, τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται επίσης για την κατασκευή αθλητικού εξοπλισμού και ως δομικά υλικά.

4. Σύνθετα υλικά τροποποιημένα με φωσφορικό ζιρκόνιο

Τα τελευταία χρόνια, τα πολυμερή/ανόργανα στρώματα νανοσύνθετα έχουν προσελκύσει ευρεία προσοχή λόγω των άριστων ιδιοτήτων τους σε διάφορες πτυχές.Πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι οι μηχανικές και θερμικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά με μια μικρή περιεκτικότητα σε νανο ανόργανα πληρωτικά. Επί του παρόντος, έχουν γίνει πολλές μελέτες σχετικά με τα νανοσωματίδια ανόργανων στρωματοποιημένων υλικών όπως μοντmorillonite και attapulgite με πολυμερή, αλλά υπάρχει σχετικά μικρή έρευνα για νανοσωματίδια πολυμερών/φωσφορικού ζιρκονίου.

Το ελασματοποιημένο υλικό έχει σταθερή δομή και μπορεί να διατηρήσει ένα σχετικά σταθερό ελασματοποιημένο ακόμη και μετά την εισαγωγή του φιλοξενούμενου στο ενδιάμεσο στρώμα.Έχει επίσης μια μεγάλη ικανότητα ανταλλαγής ιόντων και χαρακτηρίζει την ελεγχόμενη αναλογία πλευρών και τη στενή κατανομή μεγέθους σωματιδίων, καθιστώντας το κατάλληλο για την προετοιμασία πολυμερών/στρωματοποιημένων ανόργανων νανο-σύνθετων. Για να αυξηθεί η απόσταση μεταξύ στρώσεων του φωσφορικού ζιρκονίου, να προωθήσει την απομάκρυνσή του στην πολυμερή μήτρα, και να ενισχύσει τη συμβατότητα μεταξύ των στρωμάτων φωσφορικού ζιρκονίου και της πολυμερούς μήτρας, απαιτείται οργανική τροποποίηση του α-ΖrP. Το α-ZrP τροποποιείται γενικά με μικρές μοριακές αμίνες ή αλκοόλες μέσω αντιδράσεων πρωτοποίησης ή σύνδεσης υδρογόνου μέσα και έξω από τα στρώματα τους, και μπορεί επίσης να διαπλατωθεί με μεγάλα μόρια Ωστόσο, λόγω του μικρού διαστήματος μεταξύ στρώσεων, είναι δύσκολο να διαπλατωθούν άμεσα μεγάλα μόρια, και συνήθως απαιτεί μικρό μόριο προ υποστήριξης πριν από την ανταλλαγή με μεγάλα μόρια.

Τα τεταρτημόρια άλατα αμμωνίου μακράς αλυσίδας (DMA-CMS) συνθέθηκαν χρησιμοποιώντας οκτadecyldymethylamine (DMA) και χλωρομεθυλοστυρένιο (Το α-ZrP προϋποστηρίστηκε με μεθυλαμίνη και στη συνέχεια ανταλλάχθηκε με το DMA-CMS για να ληφθεί οργανικά τροποποιημένο φωσφορικό ζιρκόνιο (ZrP. DMA. CMS). Το οργανικά επεξεργασμένο φωσφορικό ζιρκόνιο στη συνέχεια αναμειγνύεται με το PS για να παρασκευαστεί το PS/οργανικά τροποποιημένο φωσφορικό ζιρκόνιο νανο-σύνθετο, και μελετήθηκαν η δομή και οι ιδιότητές τους.

Η ανάλυση δείχνει ότι το τεταρτημόριο άλας αμμωνίου μακράς αλυσίδας είναι σχετικά εύκολο να εισαγάγει μεταξύ των στρωμάτων μετά από την προ-υποστήριξη μεθυλαμίνης Μετά από την παρεμβολή, η απόσταση ενδιάμεσου στρώματος του φωσφορικού ζιρκονίου αυξάνεται από 0.8 σε 4.0 και η επίδραση διαπλάτωσης είναι σημαντική. Το νανοσύνθετο υλικό που παρασκευάζεται με δίδυμη εξώθηση του τροποποιημένου φωσφορικού ζιρκονίου (και επεκτείνει περαιτέρω την απόσταση μεταξύ στρώσεων από 4.0 σε 4.3 σε σύγκριση με το με κάποια πολυστυρόλη που εισέρχεται στο ενδιάμεσο στρώμα του φωσφορικού ζιρκονίου.

Η μηχανική ανάλυση δείχνει ότι όταν η περιεκτικότητα σε φωσφορικό ζιρκόνιο είναι 1%, η αντοχή σε εφελκυσμό, ο ελαστικός συντελεστής, η επιμήκυνση στο σπάσιμο και η αντοχή σε κρούση των νανοσύνθετων φωσφορικών ζιρκονίου αυξάνονται κατά 4%, 21%, 8%, και 43%, αντίστοιχα. Αλλά με την αύξηση της περιεκτικότητας σε φωσφορικό ζιρκόνιο, η εκτατή δύναμη, ο ελαστικός συντελεστής, η επιμήκυνση στο σπάσιμο, και η δύναμη αντίκτυπου των νανοσύνθετων παρουσιάζουν μια φθίνουσα τάση, και η δύναμη, η ακαμψία, και η ανθεκτικότητα του υλικού αρχίζουν να μειώνονται. Η προσθήκη κατάλληλης ποσότητας οργανικού τροποποιημένου φωσφορικού ζιρκονίου έχει μια ορισμένη ενισχυτική και σκληρυντική επίδραση στο PS.