1. definición

Los materiales compuestos son nuevos materiales compuestos compuestos por personas que utilizan técnicas avanzadas de preparación de materiales para optimizar y combinar componentes de materiales de diferentes propiedades. Los materiales compuestos definidos en general deben cumplir las siguientes condiciones:

I) los materiales compuestos deben ser artificiales y diseñados y fabricados por las personas según sea necesario;

Ii) los materiales compuestos deben estar compuestos por dos o más componentes de materiales con propiedades químicas y físicas diferentes, combinados en la forma, proporción y distribución diseñada, con una interfaz obvia entre los componentes;

Iii) tiene diseñabilidad estructural y permite el diseño de estructuras compuestas;

(iv) los materiales compuestos no solo mantienen las ventajas de las propiedades de los materiales de cada componente, sino que también pueden obtener propiedades integrales que un solo material constitutivo no puede lograr a través de la complementariedad y Asociación de las propiedades de cada componente.

Los materiales de matriz de los materiales compuestos se dividen en dos categorías principales: metálicos y no metálicos. Las matrices metálicas se utilizan comúnmente como aluminio, magnesio, cobre, titanio y sus aleaciones. Las matrices no metálicas incluyen principalmente resina sintética, caucho, cerámica, grafito, carbono, etc. Los materiales de refuerzo son principalmente fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de boron, fibra de aramida, fibra de carburo de silicio, fibra de amianto, bigote y metal.

2. clasificación

El material compuesto es una mezcla. Ha desempeñado un papel importante en muchos campos, reemplazando muchos materiales tradicionales. Los materiales compuestos se dividen en materiales compuestos metálicos y metálicos, materiales compuestos no metálicos y metálicos, materiales compuestos no metálicos y no metálicos de acuerdo con su composición. De acuerdo con sus características estructurales, se divide en:

① materiales compuestos reforzados con fibra. Se componen colocando varios refuerzos de fibra en el material de base. Como plásticos reforzados con fibra, metales reforzados con fibra, etc.

② materiales compuestos intercalados. Está compuesto por una combinación de materiales superficiales y materiales básicos de diferentes propiedades. Por lo general, los fideos son de alta resistencia y delgados; El material del núcleo es ligero y de baja resistencia, pero tiene cierta rigidez y espesor. Se divide en dos tipos: entrepiso sólido y entrepiso de panal.

③ materiales compuestos de grano fino. Las partículas finas duras se distribuyen uniformemente en la matriz, como aleaciones reforzadas por dispersión, cerámicas metálicas, etc.

④ materiales compuestos híbridos. Se compone de dos o más materiales de fase reforzada mezclados en un material de fase matricial. En comparación con los materiales compuestos ordinarios de fase reforzada única, su resistencia al impacto, resistencia a la fatiga y resistencia a la fractura han mejorado significativamente, y tienen propiedades especiales de expansión térmica. Se divide en materiales compuestos híbridos dentro de la capa, híbridos entre capas, híbridos sándwich, híbridos dentro / entre capas y súper híbridos.

Los materiales compuestos se pueden dividir principalmente en dos categorías: materiales compuestos estructurales y materiales compuestos funcionales.

Los materiales compuestos estructurales son materiales utilizados como estructuras de carga, que básicamente están compuestos por componentes de refuerzo que pueden soportar cargas y componentes de matriz que pueden conectar refuerzos para convertirse en materiales integrales y desempeñar un papel de transmisión. El refuerzo incluye una variedad de vidrio, cerámica, carbono, polímeros, metales y fibras naturales, tejidos, bigotes, hojas y partículas, mientras que la matriz incluye polímeros (resina), metales, cerámica, vidrio, carbono y cemento. Se pueden formar una gran variedad de materiales compuestos estructurales a partir de diferentes refuerzos y diferentes matrices, y se nombran por las matrices utilizadas, como los materiales compuestos a base de polímeros (resina). Los materiales compuestos estructurales se caracterizan por el diseño de la selección de materiales de acuerdo con los requisitos de fuerza del material en uso, y lo que es más importante, también se puede llevar a cabo el diseño de la estructura compuesta, es decir, el diseño de la disposición del cuerpo de refuerzo, que puede satisfacer razonablemente las necesidades y ahorrar materiales.

Los materiales compuestos funcionales generalmente se componen de componentes funcionales y componentes de matriz. la matriz no solo desempeña un papel en la composición general, sino que también puede producir un papel sinérgico o de fortalecimiento de la función. Los materiales compuestos funcionales se refieren a los materiales compuestos que proporcionan otras propiedades físicas además de las propiedades mecánicas. Por ejemplo: conducción eléctrica, superconductividad, semiconductores, magnetismo, piezo - electricidad, amortiguación, absorción de ondas, transmisión de ondas, fricción, blindaje, resistencia a la llama, protección contra el calor, absorción de sonido, aislamiento térmico y así sucesivamente destacan una función. Colectivamente, se llama material compuesto funcional. Los materiales compuestos funcionales se componen principalmente de cuerpos funcionales, refuerzos y sustratos. Los cuerpos funcionales pueden estar compuestos por uno o más materiales funcionales. Los materiales compuestos de los multifuncionales pueden tener múltiples funciones. Al mismo tiempo, también es posible generar nuevas funciones debido a efectos compuestos. Los materiales compuestos multifuncionales son la dirección de desarrollo de los materiales compuestos funcionales.

Los materiales compuestos también se pueden dividir en dos categorías: comunes y avanzados.

Los materiales compuestos comunes, como el frp, se componen de refuerzos de bajo rendimiento, como la fibra de vidrio, y polímeros comunes (resina). Debido a su bajo precio, se ha desarrollado en gran medida y se ha utilizado ampliamente en barcos, vehículos, tuberías químicas y tanques de almacenamiento, estructuras de construcción, artículos deportivos y otros aspectos.

Los materiales compuestos avanzados se refieren a materiales compuestos compuestos compuestos compuestos compuestos con refuerzos de alto rendimiento como fibra de carbono y aramida iguales a polímeros resistentes al calor de alto rendimiento, y luego incluyen bases metálicas, bases de cerámica y bases de carbono (grafito) y materiales compuestos funcionales. Aunque tienen un excelente rendimiento, sus precios son relativamente altos y se utilizan principalmente en la industria de defensa nacional, aeroespacial, maquinaria de precisión, sumergibles profundos, piezas estructurales robóticas y artículos deportivos de alta gama.

3. aplicaciones

Las principales áreas de aplicación de materiales compuestos son:

① en el campo aeroespacial. Debido a la buena estabilidad térmica, la alta resistencia específica y la rigidez específica de los materiales compuestos, se puede utilizar para fabricar alas y fuselaje delantero de aviones, antenas satelitales y sus estructuras de apoyo, alas y carcasas solares, carcasas de grandes vehículos de lanzamiento, carcasas de motores, piezas estructurales de transbordadores espaciales, etc.

② industria automotriz. Debido a que los materiales compuestos tienen características especiales de amortiguación de vibraciones, pueden reducir el ruido y la fatiga, son fáciles de reparar después del daño y son fáciles de formar en su conjunto, por lo que se pueden utilizar para fabricar carrocerías de automóviles, componentes de fuerza, ejes de transmisión, soportes de motores y sus componentes internos.

③ los campos de la fabricación química, textil y mecánica. Los materiales compuestos de fibra de carbono y matriz de resina con buena resistencia a la corrosión se pueden utilizar para fabricar equipos químicos, máquinas textiles, máquinas de papel, fotocopiadoras, máquinas herramienta de alta velocidad, instrumentos de precisión, etc.

④ campo médico. Los materiales compuestos de fibra de carbono tienen excelentes propiedades mecánicas y propiedades de rayos X no absorbentes, y se pueden utilizar para fabricar máquinas de rayos X médicos y stents ortopédicos. Los materiales compuestos de fibra de carbono también tienen biocompatibilidad y hemocompatibilidad, buena estabilidad en el entorno biológico y también se utilizan como materiales biomédicos. Además, los materiales compuestos se utilizan para fabricar dispositivos deportivos y como materiales de construcción.

4. materiales compuestos modificados por fosfato de zirconio

En los últimos años, los nanocompuestos de capas poliméricas / inorgánicas han atraído una gran atención debido a sus excelentes propiedades en muchos aspectos, y un gran número de estudios han demostrado que las propiedades mecánicas y térmicas de los compuestos se pueden mejorar significativamente cuando el contenido de rellenos inorgánicos nanométricos es muy pequeño. En la actualidad, se han realizado muchos estudios sobre nanocompuestos de capas inorgánicas y polímeros, como la montmorilla y la atapulgita, pero hay relativamente pocos estudios sobre nanocompuestos de polímero / fosfato de zirconio.

La estructura de la placa laminada alfa - zrp es estable, todavía puede mantener una placa laminada relativamente estable después de que el objeto se introduce entre capas, y su capacidad de intercambio de iones es grande, y tiene las características de una relación de longitud y diámetro controlable y una distribución estrecha del tamaño de las partículas, que se puede aplicar a la Preparación de nanocompuestos inorgánicos de polímero / capa. Para aumentar el espaciamiento de las capas de fosfato de zirconio y promover su desprendimiento en la matriz de polímero, al tiempo que aumenta la compatibilidad de las capas de fosfato de zirconio con la matriz de polímero, es necesario modificar orgánicamente a - zrp. Alfa - zrp generalmente se modifica orgánicamente con Aminas o alcoholes de moléculas pequeñas a través de la reacción de Protonación - Oh o enlace de hidrógeno dentro y fuera de su laminador, o también se puede intercalar con moléculas grandes, pero debido a su pequeña distancia entre las laminaciones, la intercalación directa de moléculas grandes es más difícil, por lo general se necesita un soporte previo de moléculas pequeñas antes de intercambiar con moléculas grandes.

Las sales de amonio cuaternario de cadena larga (dma - cms) se sintetizaron con alquilo - dimetilterciaria (dma) y P - clorometilestireno (cms), y alfa - zrp fue pretratado con Metilamina antes de ser intercambiado con DMA - CMS para obtener fosfato de zirconio modificado orgánicamente (zrp.dma.cms). El fosfato de zirconio tratado orgánicamente se fusionó y mezcló con ps para preparar nanocompuestos de fosfato de zirconio PS / modificados orgánicamente, y se estudiaron su estructura y propiedades.

El análisis de xrd muestra que la sal de Amina trimestral de cadena larga DMA - CMS es más fácil de insertar entre las capas de alfa - zrp después de la precotización de la metilamina. después de la intercalación, la distancia entre las capas de fosfato de zirconio se amplía de 0,8 nm a 4,0 nm, y el efecto de la intercalación es obvio. El nanocompuesto preparado por extrusión de fosfato de zirconio (zrp - DMA - cms) modificado por DMA - CMS y ps a través de un doble tornillo amplió aún más el espaciamiento de las capas de 4,0 nm a 4,3 nm en comparación con zrp - DMA - cms, y parte del poliestireno entró en las capas de fosfato de zirconio.

El análisis mecánico muestra que cuando el contenido de fosfato de zirconio es del 1%, la resistencia a la tracción, el módulo de elasticidad, la elongación a la rotura y la resistencia al impacto de los nanocompuestos de fosfato de zirconio modificados orgánicamente PS / aumentaron en un 4%, 21%, 8% y 43%, respectivamente. Sin embargo, con el aumento del contenido de fosfato de zirconio, la resistencia a la tracción, el módulo de elasticidad, la extensión a la rotura y la resistencia al impacto de los nanocompuestos muestran una tendencia a la baja, y la resistencia, rigidez y tenacidad de los materiales comienzan a disminuir. La adición de una cantidad adecuada de fosfato de Zirconia modificado orgánicamente zrp - DMA - CMS tiene un cierto efecto de refuerzo y endurecimiento en ps.