1. Määritelmä

Komposiittimateriaalit ovat uusia materiaaleja, jotka muodostuvat optimoimalla ja yhdistämällä materiaalikomponenttien eri ominaisuuksia kehittyneillä materiaalinkäsittelytekniikoilla. Komposiittimateriaalien yleinen määritelmä edellyttää seuraavien edellytysten täyttymistä:

i) Komposiittimateriaalien on oltava keinotekoisia ja suunniteltava ja valmistettava ihmisten tarpeiden mukaisesti;

ii) Komposiittimateriaalien on koostuttava kahdesta tai useammasta materiaalikomponentista, joilla on erilaiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ja jotka on yhdistetty suunniteltuun muotoon, suhteeseen ja jakautumiseen siten, että kunkin komponentin välillä on selkeät rajapinnat;

(iii) Sillä on rakenteellinen suunnittelukyky ja sitä voidaan käyttää komposiittirakenteen suunnitteluun;

(iv) Komposiittimateriaalit paitsi säilyttävät kunkin komponenttimateriaalin suorituskyvyn edut, myös saavuttavat kattavan suorituskyvyn, jota yksittäisellä komponenttimateriaalilla ei voida saavuttaa kunkin komponentin suorituskyvyn täydentävyyden ja korrelaation avulla.

Komposiittimateriaalien matriisimateriaalit on jaettu kahteen luokkaan: metallinen ja ei-metallinen. Yleisesti käytettyjä metallisubstraatteja ovat alumiini, magnesium, kupari, titaani ja niiden seokset. Ei-metalliset substraatit sisältävät pääasiassa synteettisiä hartseja, kumia, keramiikkaa, grafiittia, hiiltä jne. Tärkeimmät lujitusmateriaalit ovat lasikuitu, hiilikuitu, boorikuitu, aramidikuitu, piikarbidikuitu, asbestikuitu, viikset ja metallit.

2. Luokittelu

Komposiittimateriaalit ovat seos. Sillä on ollut merkittävä rooli monilla aloilla korvaamalla monia perinteisiä materiaaleja. Komposiittimateriaalit jaetaan metalli-metallikomposiittimateriaaleihin, ei-metalli-metallikomposiittimateriaaleihin ja ei-metalli-ei-metallikomposiittimateriaaleihin koostumuksensa mukaan. Rakenteellisten ominaisuuksiensa mukaan se voidaan jakaa edelleen:

① Kuituvahvistetut komposiittimateriaalit. Yhdistä erilaisia kuituvahvistettuja materiaaleja matriisimateriaalin sisällä. Kuten kuituvahvistetut muovit, kuituvahvistetut metallit jne.

② Laminoidut komposiittimateriaalit. Koostuu pintamateriaaleista ja ydinmateriaaleista, joilla on erilaiset ominaisuudet. Yleensä pintamateriaalilla on korkea lujuus ja on ohut; Ydinmateriaali on kevyt ja sillä on alhainen lujuus, mutta sillä on tietty jäykkyys ja paksuus. Se on jaettu kahteen tyyppiin: kiinteä voileipä ja hunajakenno voileipä.

① Hienorakeiset komposiittimateriaalit. Jakele tasaisesti kovia hienohiukkasia matriisissa, kuten dispersiolujitettuja seoksia, metallikeramiikkaa jne.

① Hybridikomposiittimateriaalit. Koostuu kahdesta tai useammasta lujitusvaiheesta sekoitettuna yhteen matriisifaasimateriaaliin. Verrattuna tavallisiin yksivaiheisiin komposiittimateriaaleihin sen iskulujuus, väsymislujuus ja murtumiskestävyys paranevat merkittävästi, ja sillä on erityisiä lämpölaajenemisominaisuuksia. Jakautuu kerroshybridiin, kerroshybrideihin, sandwichhybrideihin, kerroshybrideihin, kerroshybrideihin ja super hybrideihin komposiittimateriaaleihin.

Komposiittimateriaalit voidaan jakaa pääasiassa kahteen luokkaan: rakenteelliset komposiittimateriaalit ja toiminnalliset komposiittimateriaalit.

Rakenteelliset komposiittimateriaalit ovat materiaaleja, joita käytetään kantavina rakenteina, jotka koostuvat pohjimmiltaan lujiteelementeistä, jotka kestävät kuormia ja matriiselementeistä, jotka voivat yhdistää lujiteelementit kokonaiseksi materiaaliksi samalla kun välittävät voimia. Vahvistuksia ovat erilaiset lasit, keramiikka, hiili, polymeerit, metallit sekä luonnonkuidut, kankaat, viikset, levyt ja hiukkaset, kun taas matriiseja ovat polymeerit (hartsit), metallit, keramiikka, lasi, hiili ja sementti. Erilaiset rakenteelliset komposiittimateriaalit voivat koostua erilaisista vahvistusaineista ja matriiseista, ja ne voidaan nimetä käytetyn matriisin mukaan, kuten polymeeri (hartsi)pohjaiset komposiittimateriaalit. Rakenteellisten komposiittimateriaalien ominaisuus on, että ne voidaan suunnitella komponenttien valintaan materiaalin rasituksen vaatimusten mukaisesti käytön aikana, ja mikä tärkeintä, komposiittirakenteen suunnittelu voidaan myös toteuttaa, eli vahvistusjärjestelyn suunnittelu, joka voi kohtuudella vastata tarpeisiin ja säästää materiaaleja.

Funktionaaliset komposiittimateriaalit koostuvat yleensä funktionaalisista kehon komponenteista ja matriisin komponenteista, jotka eivät ainoastaan muodosta kokonaisuutta, vaan voivat myös tuottaa synergistisiä tai vahvistavia toimintoja. Funktionaalisilla komposiittimateriaaleilla tarkoitetaan komposiittimateriaaleja, joilla on muita fysikaalisia ominaisuuksia kuin mekaanisia ominaisuuksia. Esimerkiksi johtavuus, suprajohtavuus, puolijohde, magnetismi, pietsosähkö, vaimennus, absorptio, siirto, kitka, suojaus, palonesto, lämmönkestävyys, äänenvaimennus, eristys jne. korostavat tiettyä toimintoa. Yhteisesti funktionaaliset komposiittimateriaalit. Funktionaaliset komposiittimateriaalit koostuvat pääasiassa toiminnallisista rungoista, lujitekappaleista ja matriiseista. Toiminnalliset kehot voivat koostua yhdestä tai useammasta toiminnallisesta materiaalista. Monitoiminnallisilla komposiittimateriaaleilla voi olla useita toimintoja. Samaan aikaan on myös mahdollista luoda uusia funktioita komposiittiefektien ansiosta. Monitoiminnalliset komposiittimateriaalit ovat toiminnallisten komposiittimateriaalien kehityssuunta.

Komposiittimateriaalit voidaan jakaa myös kahteen luokkaan: yleisesti käytetty ja kehittynyt.

Tavalliset komposiittimateriaalit, kuten lasikuitu, koostuvat heikon suorituskyvyn vahvistuksista, kuten lasikuiduista ja tavallisista korkeapolymeereistä (hartseista). Alhaisen hintansa vuoksi sitä on käytetty laajalti eri aloilla, kuten laivoissa, ajoneuvoissa, kemikaaliputkissa ja varastointisäiliöissä, rakennusrakenteissa ja urheiluvälineissä.

Kehittyneet komposiittimateriaalit viittaavat komposiittimateriaaleihin, jotka koostuvat erittäin suorituskykyisistä lämpökestävistä polymeereistä, kuten hiilikuidusta ja aramidista. Myöhemmin mukana otettiin myös metallipohjaisia, keraamisia, hiilipohjaisia (grafiittipohjaisia) ja toiminnallisia komposiittimateriaaleja. Vaikka niillä on erinomainen suorituskyky, niiden hinnat ovat suhteellisen korkeat, joita käytetään pääasiassa puolustusteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, tarkkuuskoneissa, syvänmeren sukellusveneissä, robottien rakenneosissa ja huippuluokan urheiluvälineissä.

3. Sovellus

Komposiittimateriaalien tärkeimmät sovellusalueet ovat:

① Ilmailukenttä. Hyvän lämpövakauden, korkean ominaislujuuden ja jäykkyyden ansiosta komposiittimateriaaleja voidaan käyttää lentokoneiden siipien ja etukappaleiden, satelliittiantennien ja niiden tukirakenteiden, aurinkokennojen siipien ja kuorien, suurten laukaisuajoneuvojen kuorien, moottorien kuorien, avaruussukkulan rakenneosien jne. valmistukseen.

② Autoteollisuus. Komposiittimateriaalien erityisten tärinänvaimennusominaisuuksien ansiosta ne voivat vähentää tärinää ja melua, niillä on hyvä väsymiskestävyys, niitä on helppo korjata vaurioiden jälkeen ja ne on helppo muodostaa kokonaisuutena. Siksi niitä voidaan käyttää autojen korien, kantavien komponenttien, vaihteistoakselien, moottorin kiinnikkeiden ja niiden sisäisten komponenttien valmistukseen.

① Kemian, tekstiilin ja koneiden valmistuksen aloilla. Materiaali, joka koostuu hiilikuitu- ja hartsimatriisista, joilla on hyvä korroosionkestävyys, jota voidaan käyttää kemiallisten laitteiden, tekstiilikoneiden, paperikoneiden, kopiokoneiden, nopeiden työstökoneiden, tarkkuusinstrumenttien jne. valmistukseen.

① Lääketieteellinen ala. Hiilikuitukompoosiittimateriaaleilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja röntgensäteiden imeytymättömyys, ja niitä voidaan käyttää lääketieteellisten röntgenkoneiden ja ortopedisten stenttien valmistukseen. Hiilikuitukompoosiittimateriaaleilla on myös bioyhteensopivuus ja veren yhteensopivuus, hyvä stabiilisuus biologisissa ympäristöissä, ja niitä käytetään myös biolääketieteellisinä materiaaleina. Lisäksi komposiittimateriaaleja käytetään myös urheiluvälineiden valmistukseen ja rakennusmateriaaleina.

4. Zirkoniumfosfaattimodifioitu komposiittimateriaali

Viime vuosina polymeeri / epäorgaaniset kerrostetut nanokomposiitit ovat herättäneet laajaa huomiota erinomaisten ominaisuuksiensa vuoksi eri osa-alueilla. Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että komposiittimateriaalien mekaanisia ja lämpöominaisuuksia voidaan merkittävästi parantaa pienellä nanoepäorgaanisten täyteaineiden pitoisuudella. Tällä hetkellä on tehty monia tutkimuksia epäorgaanisten kerrostettujen materiaalien, kuten montmorilloniitin ja attapulgiitin nanokomposiiteista polymeerien kanssa, mutta polymeeri/zirkoniumfosfaattinanokomposiiteista on suhteellisen vähän tutkimusta.

α-ZrP-laminaatilla on vakaa rakenne ja se voi säilyttää suhteellisen vakaan laminaatin myös vieraan tulon jälkeen välikerrokseen. Sillä on myös suuri ioninvaihtokapasiteetti ja siinä on säädettävissä oleva kuvasuhde ja kapea hiukkaskokojakauma, joten se soveltuu polymeeri-/kerroksisten epäorgaanisten nanokomposiittien valmistukseen. Zirkoniumfosfaatin välikerroksen välisen välin lisäämiseksi, sen delaminaation edistämiseksi polymeerimatriisissa ja zirkoniumfosfaattikerrosten ja polymeerimatriisin yhteensopivuuden parantamiseksi a-ZrP:n orgaaninen muuntaminen on tarpeen. α - ZrP muunnetaan yleensä pienimolekyylisillä amiineilla tai alkoholilla OH protonaatioreaktioiden tai vetysidosten kautta niiden kerrosten sisällä ja ulkopuolella, ja sitä voidaan myös intercaloida suurten molekyylien kanssa. Pienen välikerroksen välin vuoksi suuria molekyylejä on vaikea suoraan intercaloida, ja yleensä se vaatii pienen molekyylin esituen ennen vaihtamista suurten molekyylien kanssa.

Pitkäketjuiset kvaternaariset ammoniumsuolat (DMA-CMS) syntetisoitiin oktadesyylidimetyyliamiinilla (DMA) ja p-kloorimetyylistyreenillä (CMS). α-ZrP tuettiin metyyliamiinilla ja vaihdettiin sitten DMA-CMS:llä orgaanisesti muunnetun zirkoniumfosfaatin (ZrP. DMA. CMS) saamiseksi. Orgaanisesti käsitelty zirkoniumfosfaatti sulatettiin PS:n ja orgaanisesti muunnettujen zirkoniumfosfaattinanokomposiittien valmistamiseksi ja niiden rakennetta ja ominaisuuksia tutkittiin.

XRD-analyysi osoittaa, että pitkäketjuinen kvaternaarinen ammoniumsuola DMA-CMS on suhteellisen helppo sijoittaa α-ZrP-kerrosten väliin metyyliamiinin esituen jälkeen. Interkalaation jälkeen zirkoniumfosfaatin välikerrosetäisyys kasvaa 0,8 nm:stä 4,0 nm:ään ja interkalaatiovaikutus on merkittävä. ZrP DMA-CMS modifioidun zirkoniumfosfaatin (ZrP DMA-CMS) ja PS:n kaksoisruuvinpuristamalla valmistettu nanokomposiittimateriaali laajentaa edelleen välikerrosten välistä etäisyyttä 4,0 nm:stä 4,3 nm:ään verrattuna ZrP DMA-CMS:ään, jolloin zirkoniumfosfaatin välikerrokseen pääsee jonkin verran polystyreeniä.

Mekaaninen analyysi osoittaa, että kun zirkoniumfosfaatin pitoisuus on 1%, PS / orgaanisten muunnettujen zirkoniumfosfaattinanokomposiittien vetolujuus, elastismoduuli, murtumisvenymä ja iskulujuus lisääntyvät 4%, 21%, 8% ja 43%. Mutta zirkoniumfosfaattipitoisuuden kasvun myötä nanokomposiittien vetolujuus, elastismoduuli, murtumisvenymä ja iskulujuus osoittavat laskusuuntauksen, ja materiaalin lujuus, jäykkyys ja sitkeys alkavat vähentyä. Sopivan määrän orgaanista modifioitua zirkoniumfosfaattia ZrP DMA-CMS:llä on tietty vahvistava ja karkottava vaikutus PS:ään.