1. Määratlus

Komposiitmaterjalid on uued materjalid, mis moodustuvad materjalikomponentide erinevate omaduste optimeerimisel ja kombineerimisel, kasutades täiustatud materjalide ettevalmistamise tehnikaid. Komposiitmaterjalide üldine määratlus nõuab järgmiste tingimuste täitmist:

i) komposiitmaterjalid peavad olema kunstlikud ning projekteeritud ja valmistatud vastavalt inimeste vajadustele;

ii) komposiitmaterjalid peavad koosnema kahest või enamast erinevate keemiliste ja füüsikaliste omadustega materjalikomponentist, mis on ühendatud kavandatud kujul, proportsioonis ja jaotuses ning millel on selged liidesed iga komponendi vahel;

iii) sellel on konstruktsiooniline projekteeritavus ja seda saab kasutada komposiitkonstruktsioonide projekteerimiseks;

iv) Komposiitmaterjalid mitte ainult ei säilita iga komponentmaterjali jõudluse eeliseid, vaid saavutavad ka tervikliku jõudluse, mida ei ole võimalik saavutada ühe komponentmaterjaliga iga komponenti jõudluse vastastikuse täiendavuse ja korrelatsiooni kaudu.

Komposiitmaterjalide maatriksmaterjalid jagunevad kahte kategooriasse: metalliline ja mittemetallne. Tavaliselt kasutatavad metallist substraadid on alumiinium, magneesium, vask, titaan ja nende sulamid. Mittemetallsed substraadid hõlmavad peamiselt sünteetilisi vaike, kummi, keraamikat, grafiiti, süsinikku jne. Peamised tugevdavad materjalid on klaaskiud, süsinikkiud, boorkiud, aramiidkiud, ränikarbiidkiud, asbestkiud, vurrud ja metallid.

2. Klassifikatsioon

Komposiitmaterjalid on segu. See on mänginud olulist rolli paljudes valdkondades, asendades palju traditsioonilisi materjale. Komposiitmaterjalid jagatakse metallist metalli komposiitmaterjalideks, mittemetallist metalli komposiitmaterjalideks ja mittemetallist mittemetalli komposiitmaterjalideks vastavalt nende koostisele. Vastavalt oma struktuurilistele omadustele võib seda jagada järgmisteks:

① Kiudtugevdatud komposiitmaterjalid. Koostage erinevaid kiudainetega tugevdatud materjale maatriksi materjalis. Näiteks kiudainetega tugevdatud plastid, kiudainetega tugevdatud metallid jne.

② Lamineeritud komposiitmaterjalid. Koosneb erinevate omadustega pinnamaterjalidest ja südamikumaterjalidest. Tavaliselt on pinnamaterjal kõrge tugevusega ja õhuke; Südamikumaterjal on kerge ja madala tugevusega, kuid sellel on teatud jäikus ja paksus. See on jagatud kahte tüüpi: tahke võileib ja kärje võileib.

① Peeneteralised komposiitmaterjalid. Jagage maatriksis ühtlaselt kõvad peened osakesed, näiteks hajutatud tugevdatud sulamid, metallkeraamika jne.

① Hübriidkomposiitmaterjalid. Koosneb kahest või enamast tugevdusfaasist materjalist, mis on segatud ühe maatriksifaasi materjaliga. Võrreldes tavaliste ühefaasiliste tugevdatud komposiitmaterjalidega on selle löögitugevus, väsimustugevus ja murdutugevus oluliselt paranenud ning sellel on spetsiaalsed termilise paisumise omadused. Jagatud kihisiseseks hübriidiks, kihisiseseks hübriidiks, sandwich hübriidiks, kihisiseseks / kihisiseseks hübriidiks ja super hübriidkomposiitmaterjalideks.

Komposiitmaterjale saab jagada peamiselt kahte kategooriasse: struktuurikomposiitmaterjalid ja funktsionaalsed komposiitmaterjalid.

Konstruktsioonikomposiitmaterjalid on materjalid, mida kasutatakse kandvate konstruktsioonidena, mis koosnevad põhimõtteliselt tugevduselementidest, mis suudavad taluda koormusi ja maatriksielemente, mis suudavad ühendada tugevduselemente terveks materjaliks, edastades samal ajal jõudu. Tugevdused hõlmavad erinevat tüüpi klaasi, keraamikat, süsinikku, polümeere, metalle, samuti looduslikke kiude, kangaid, vuntse, lehte ja osakesi, samas kui maatriksid hõlmavad polümeere (vaigud), metalle, keraamikat, klaasi, süsinikku ja tsementi. Erinevad struktuurilised komposiitmaterjalid võivad koosneda erinevatest tugevdusainetest ja maatriksist ning nimetada kasutatud maatriksi järgi, näiteks polümeer (vaik) põhinevad komposiitmaterjalid. Konstruktsiooniliste komposiitmaterjalide iseloomulik omadus on see, et neid saab projekteerida komponentide valimiseks vastavalt materjali pinge nõuetele kasutamise ajal ja mis veelgi tähtsam, võib teostada ka komposiitkonstruktsiooni projekteerimist, st tugevduskorralduse projekteerimist, mis võib mõistlikult rahuldada vajadusi ja säästa materjale.

Funktsionaalsed komposiitmaterjalid koosnevad tavaliselt funktsionaalsetest kehakomponentidest ja maatriksikomponentidest, mis mitte ainult ei mängi rolli terviku moodustamisel, vaid võib tekitada ka sünergistlikke või tugevdavaid funktsioone. Funktsionaalsed komposiitmaterjalid viitavad komposiitmaterjalidele, millel on muud füüsikalised omadused kui mehaanilised omadused. Näiteks juhtivus, ülijuhtivus, pooljuht, magnetism, piesoelekter, summutamine, neeldumine, ülekanne, hõõrdumine, kaitse, leegiaeglustus, soojuskindlus, helineeldumine, isolatsioon jne rõhutavad teatud funktsiooni. Ühiselt nimetatakse funktsionaalseid komposiitmaterjale. Funktsionaalsed komposiitmaterjalid koosnevad peamiselt funktsionaalsetest kehadest, tugevdavatest kehadest ja maatriksist. Funktsionaalsed kehad võivad koosneda ühest või mitmest funktsionaalsest materjalist. Mitmefunktsionaalsetel komposiitmaterjalidel võib olla mitu funktsiooni. Samal ajal on võimalik luua ka uusi funktsioone tänu komposiitefektidele. Multifunktsionaalsed komposiitmaterjalid on funktsionaalsete komposiitmaterjalide arengusuund.

Komposiitmaterjale saab jagada ka kahte kategooriasse: tavaliselt kasutatavad ja täiustatud.

Tavalised komposiitmaterjalid, nagu klaaskiud, koosnevad madala jõudlusega tugevdustest, nagu klaaskiud ja tavalised kõrge polümeerid (vaigud). Madala hinna tõttu on seda laialdaselt kasutatud erinevates valdkondades, nagu laevad, sõidukid, keemiatorustikud ja ladustamispaakid, ehituskonstruktsioonid ja spordivarustus.

Täiustatud komposiitmaterjalid viitavad komposiitmaterjalidele, mis koosnevad suure jõudlusega kuumuskindlatest polümeeridest, nagu süsinikkiud ja aramiid, hiljem lisati ka metallipõhised, keraamilised, süsinik (grafiit) ja funktsionaalsed komposiitmaterjalid. Kuigi neil on suurepärane jõudlus, on nende hinnad suhteliselt kõrged, mida kasutatakse peamiselt kaitsetööstuses, kosmoses, täppismasinates, süvamere allveelaevades, robotite konstruktsioonikomponentides ja tipptasemel spordivarustuses.

3. Kohaldamine

Komposiitmaterjalide peamised rakendusvaldkonnad on:

① Õhusõiduki väli. Komposiitmaterjalide hea termilise stabiilsuse, kõrge eritugevuse ja jäikuse tõttu saab komposiitmaterjale kasutada õhusõiduki tiibade ja eeskehade, satelliitantennide ja nende tugikonstruktsioonide, päikeseelementide tiibade ja kestade, suurte kanderakettide kestade, mootori kestade, kosmosesüstiku konstruktsioonikomponentide jne valmistamiseks.

② Autotööstus. Komposiitmaterjalide spetsiaalsete vibratsiooni summutamise omaduste tõttu võivad need vähendada vibratsiooni ja müra, neil on hea väsimuskindlus, neid on pärast kahjustusi lihtne parandada ja neid on lihtne moodustada tervikuna. Seetõttu saab neid kasutada autode kerede, kandvate komponentide, ülekandevõllide, mootori kinnituste ja nende sisekomponentide valmistamiseks.

① Keemia-, tekstiili- ja masinatootmise valdkonnas. Hea korrosioonikindlusega süsinikkiud- ja vaigumaatriksist koosnev materjal, mida saab kasutada keemiaseadmete, tekstiilimasinate, paberimasinate, koopiamasinate, kiirete tööpinkide, täppisinstrumentide jne valmistamiseks.

① Meditsiinivaldkond. Süsinikkiust komposiitmaterjalidel on suurepärased mehaanilised omadused ja röntgenkiirte imendumatus ning neid saab kasutada meditsiiniliste röntgenkiirte masinate ja ortopeediliste stentide valmistamiseks. Süsinikkiust komposiitmaterjalidel on ka bioühilduvus ja vere ühilduvus, hea stabiilsus bioloogilistes keskkondades ja neid kasutatakse ka biomeditsiiniliste materjalidena. Lisaks kasutatakse komposiitmaterjale ka spordivarustuse tootmiseks ja ehitusmaterjalidena.

4. tsirkooniumfosfaadiga modifitseeritud komposiitmaterjal

Viimastel aastatel on polümeer / anorgaanilised kihilised nanokomposiidid pälvinud laialdast tähelepanu tänu oma suurepärastele omadustele erinevates aspektides.Arvukad uuringud on näidanud, et komposiitmaterjalide mehaanilisi ja termilisi omadusi saab märkimisväärselt parandada väikese nanoanorgaaniliste täiteainete sisaldusega. Praegu on olnud palju uuringuid anorgaaniliste kihiliste materjalide nagu montmorilloniit ja atapulgiit polümeeridega nanokomposiitide kohta, kuid polümeeri / tsirkooniumfosfaadi nanokomposiitide kohta on suhteliselt vähe uuringuid.

α-ZrP laminaadil on stabiilne struktuur ja see suudab säilitada suhteliselt stabiilse laminaadi isegi pärast külalise sisseviimist vahekihi. Samuti on tal suur ioonvahetusvõime ja omab reguleeritavat aspektisuhet ja kitsast osakeste suurusjaotust, mistõttu see sobib polümeeri/kihiliste anorgaaniliste nanokomposiitide valmistamiseks. Tsirkooniumfosfaadi vahekihi suurendamiseks, selle delaminatsiooni soodustamiseks polümeermaatriksis ja tsirkooniumfosfaadi kihtide ja polümeermaatriksi ühilduvuse suurendamiseks on vaja a-ZrP orgaanilist modifitseerimist. α - ZrP-d modifitseeritakse tavaliselt väikeste molekulide amiinide või alkoholidega läbi OH protonatsioonireaktsioonide või vesiniku ühendumise nende kihtide sees ja väljaspool ning seda võib ka vahelduda suurte molekulidega. Kuid väikese vahekihi tõttu on raske vahelduda suuri molekule otseselt ja tavaliselt vajab väikeste molekulide eelnevat toetust enne vahetamist suurte molekulidega.

Pikaahelalised kvaternaarsed ammooniumsoolad (DMA-CMS) sünteesiti oktadetsüldimetüülamiini (DMA) ja p-klorometüüreeni (CMS) abil. α-ZrP toetati eelnevalt metüülamiiniga ja seejärel vahetati DMA-CMS-ga orgaaniliselt modifitseeritud tsirkooniumfosfaadi (ZrP. DMA. CMS) saamiseks. Seejärel sulatati orgaaniliselt töödeldud tsirkooniumfosfaadiga PS/orgaaniliselt modifitseeritud tsirkooniumfosfaadi nanokomposiitide valmistamiseks ning uuriti nende struktuuri ja omadusi.

XRD analüüs näitab, et pikaahelalist kvaternaarset ammooniumsoola DMA-CMS on pärast metüülamiini eelset toetust α-ZrP kihtide vahele suhteliselt lihtne sisestada. Pärast vahemikku suureneb tsirkooniumfosfaadi kihtide vaheline kaugus 0,8 nm-lt 4,0 nm-ni ja vahemik on märkimisväärne. Nanokomposiitmaterjal, mis on valmistatud ZrP DMA-CMS modifitseeritud tsirkooniumfosfaadi (ZrP DMA-CMS) ja PS kaksikkruviga ekstrudeerimisel, laiendab veelgi vahekihtide vahet 4,0 nm-lt 4,3 nm-ni võrreldes ZrP DMA-CMS-iga, kusjuures tsirkooniumfosfaadi vahekihti siseneb mõni polüstüreen.

Mehaaniline analüüs näitab, et kui tsirkooniumfosfaadi sisaldus on 1%, suurendatakse PS / orgaanilise modifitseeritud tsirkooniumfosfaadi nanokomposiitide tõmbetugevust, elastsusmoodulit, purunemist ja löögitugevust vastavalt 4%, 21%, 8% ja 43%. Kuid tsirkooniumfosfaadi sisalduse suurenemisega näitavad nanokomposiitide tõmbetugevus, elastmoodul, purunemine ja löögitugevus langustrendi ning materjali tugevus, jäikus ja sitkus hakkavad vähenema. Sobiva koguse orgaanilise modifitseeritud tsirkooniumfosfaadi ZrP DMA-CMS lisamisel on PS-ile teatav tugevdav ja karastava toime.