1. Meghatározás

A kompozit anyagok olyan új anyagok, amelyeket az anyagkomponensek különböző tulajdonságainak optimalizálásával és kombinálásával hoznak létre, fejlett anyagelőkészítési technikákkal. Az összetett anyagok általános meghatározása a következő feltételeknek kell teljesülniük:

i. A kompozit anyagoknak mesterségeseknek kell lenniük, és az emberek igényeinek megfelelően kell megtervezniük és gyártaniuk;

ii. Az összetett anyagoknak két vagy több különböző kémiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkező anyagösszetevőből kell állniuk, amelyeket tervezett formában, arányban és eloszlásban kombinálnak, az egyes alkatrészek közötti egyértelmű interfészekkel;

(iii) Szerkezeti kialakíthatósággal rendelkezik, és használható kompozit szerkezet tervezésére;

(iv) A kompozit anyagok nemcsak az egyes alkatrészek teljesítményének előnyeit tartják fenn, hanem olyan átfogó teljesítményt is elérnek, amelyet egyetlen alkatrész anyag nem érhet el az egyes alkatrészek teljesítményének komplementaritása és összefüggése révén.

A kompozit anyagok mátrix anyagai két kategóriára oszlanak: fémes és nemfémes. A leggyakrabban használt fém aljzatok közé tartozik az alumínium, magnézium, réz, titán és ötvözeteik. A nem fémes aljzatok elsősorban szintetikus gyantákat, gumit, kerámiát, grafitot, szén stb. A fő erősítő anyagok közé tartozik az üvegszál, a szénszál, a bórszál, az aramidszál, a szilícium-karbidszál, az azbesztszál, a bajszál és a fémek.

2. Osztályozás

A kompozit anyagok keveréke. Számos területen jelentős szerepet játszott, sok hagyományos anyagot helyettesítve. A kompozit anyagokat fém-fém kompozit anyagokra, nem fém-fém kompozit anyagokra és nem fém-nem kompozit anyagokra osztják összetételük szerint. Szerkezeti jellemzői szerint tovább osztható:

① Szálerősítésű kompozit anyagok. Kompozit különböző szálerősítésű anyagok a mátrix anyagában. Például szálerősítésű műanyagok, szálerősítésű fémek stb.

② Laminált kompozit anyagok. Különböző tulajdonságokkal rendelkező felületi anyagokból és maganyagokból áll. Általában a felületi anyag nagy szilárdságú és vékony; A maganyag könnyű és alacsony szilárdságú, de bizonyos merevséggel és vastagsággal rendelkezik. Két típusra oszlik: szilárd szendvics és méhsejt szendvics.

② Finomszemcsés kompozit anyagok. A kemény finom részecskéket egységesen elosztja a mátrixban, mint például diszperziós erősített ötvözetek, fémkerámia stb.

② Hibrid kompozit anyagok. Két vagy több erősítő fázisú anyagból áll, amelyek egy mátrix fázisú anyagban keverednek. A hagyományos egyfázisú kompozit anyagokkal összehasonlítva ütésszilárdsága, fáradtsági szilárdsága és törésszilárdsága jelentősen javul, és speciális hőtágulási tulajdonságokkal rendelkezik. Belső rétegű hibrid, rétegközi hibrid, szendvics hibrid, intra / inter rétegű hibrid és szuper hibrid kompozit anyagokra osztva.

A kompozit anyagok főként két kategóriára oszthatók: szerkezeti kompozit anyagok és funkcionális kompozit anyagok.

A szerkezeti kompozit anyagok teherhordó szerkezetként használt anyagok, amelyek alapvetően erősítő elemekből állnak, amelyek képesek ellenállni a terheléseknek, és mátrix elemekből állnak, amelyek képesek összekötni a megerősítő elemeket egy egész anyagba, miközben erőátvitelt is adnak. A megerősítések közé tartozik a különböző típusú üveg, kerámia, szén, polimerek, fémek, valamint természetes szálak, szövetek, bajszálak, lemezek és részecskék, míg a mátrixok közé tartoznak a polimerek (gyanták), fémek, kerámia, üveg, szén és cement. Különböző szerkezeti kompozit anyagok különböző erősítőanyagokból és mátrixokból állhatnak össze, és elnevezhetők a használt mátrix után, mint például polimer (gyanta) alapú kompozit anyagok. A szerkezeti kompozit anyagok jellemzője, hogy alkatrészek kiválasztására tervezhetők a használat során az anyag feszültségének követelményei szerint, és ami még fontosabb, a kompozit szerkezet tervezése is elvégezhető, azaz a megerősítési elrendezés tervezése, amely ésszerűen megfelel az igényeknek és anyagokat takaríthat meg.

A funkcionális kompozit anyagok általában funkcionális testkomponensekből és mátrix komponensekből állnak, amelyek nemcsak az egész kialakításában játszanak szerepet, hanem szinergikus vagy erősítő funkciókat is előállíthatnak. A funkcionális kompozit anyagok olyan kompozit anyagok, amelyek a mechanikai tulajdonságoktól eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Például a vezetőképesség, a szupravezetőképesség, a félvezető, a mágnesesség, a piezoelektromosság, a csillapítás, az abszorpció, az átvitel, a súrlódás, az árnyékolás, a lángállás, a hőállóság, a hangelnyelés, a szigetelés stb. kiemelnek egy bizonyos funkciót. Gyűjteményesen funkcionális kompozit anyagoknak nevezik. A funkcionális kompozit anyagok főként funkcionális testekből, erősítőtestekből és mátrixokból állnak. A funkcionális testek egy vagy több funkcionális anyagból állhatnak. A többfunkciós kompozit anyagok többféle funkcióval rendelkeznek. Eközben az összetett hatásoknak köszönhetően új funkciók generálhatók. A többfunkciós kompozit anyagok a funkcionális kompozit anyagok fejlesztési iránya.

A kompozit anyagok két kategóriára is oszthatók: általánosan használt és fejlett.

A gyakori kompozit anyagok, mint például az üvegszál, alacsony teljesítményű erősítésekből állnak, mint például az üvegszálak és a hagyományos magas polimerek (gyanták). Alacsony ára miatt széles körben használják különböző területeken, mint például hajók, járművek, vegyi csővezetékek és tárolótartályok, épületszerkezetek és sportfelszerelések.

A fejlett kompozit anyagok olyan kompozit anyagokat jelentenek, amelyek nagy teljesítményű hőálló polimerekből állnak, mint például szénszál és aramid. Bár kiváló teljesítménnyel rendelkeznek, áraik viszonylag magasak, főként a védelmi iparban, a repülőgépekben, a precíziós gépekben, a mélytengeri tengeralattjárókban, a robotszerkezeti alkatrészekben és a csúcsminőségű sportfelszerelésekben használják.

3. Alkalmazás

A kompozit anyagok fő alkalmazási területei a következők:

① Repülőtér. Jó hőstabilitásuknak, nagy fajlagos szilárdságuknak és merevségüknek köszönhetően kompozit anyagok használhatók repülőgépek szárnyainak és előlapjainak, műholdas antennáinak és tartószerkezetüknek, napelemes szárnyainak és héjainak, nagy indítójármű héjainak, motorházaknak, űrsikló szerkezeti alkatrészeinek stb.

② Az autóipar. Az összetett anyagok különleges rezgéscsillapító jellemzői miatt csökkenthetik a rezgést és a zajt, jó fáradtságállósággal rendelkeznek, könnyen javíthatók a sérülés után, és könnyen kialakíthatók, ezért használhatók autókarosszériák, teherhordó alkatrészek, sebességváltó tengelyek, motortartók és belső alkatrészek gyártására.

② A vegyi, textil és gépgyártás területén. Szénszálból és gyanta mátrixból álló anyag jó korrózióállósággal, amely vegyi berendezések, textilgépek, papírgépek, fénymásolók, nagy sebességű szerszámgépek, precíziós műszerek stb. gyártására használható.

Orvosi terület. A szénszálas kompozit anyagok kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek és nem felszívódnak a röntgensugarak, és orvosi röntgengépek és ortopédiai stentek gyártására használhatók. A szénszálas kompozit anyagok biokompatibilitással és vérképességgel rendelkeznek, jó stabilitással biológiai környezetben, és biomedicinális anyagként is használják. Ezenkívül kompozit anyagokat is használnak sportfelszerelések gyártására és építőanyagként.

4. Cirkónium-foszfát módosított kompozit anyag

Az elmúlt években a polimer/szervetlen rétegű nanokompozitok különböző szempontból kiváló tulajdonságaik miatt széles körben felkeltették a figyelmet, számos tanulmány kimutatta, hogy a kompozit anyagok mechanikai és termikus tulajdonságai jelentősen javíthatók kis nanoszervetlen töltőanyagtartalommal. Jelenleg számos tanulmány történt szervetlen réteges anyagok nanokompozitjairól, mint a montmorillonit és a polimerekkel való attapulgit, de viszonylag kevés kutatás folyik a polimer/cirkónium foszfát nanokompozitokról.

Az α - ZrP laminátum stabil szerkezettel rendelkezik, viszonylag stabil laminátumot képes fenntartani még a vendég köztes rétegbe történő bevezetése után is, emellett nagy ioncserélő kapacitással rendelkezik, ellenőrizhető képaránnyal és keskeny részecskeméreteloszlással rendelkezik, így alkalmas polimer/réteges szervetlen nanokompozitok előállítására. A cirkónium-foszfát rétegek közötti távolságának növeléséhez, delaminációjának elősegítéséhez a polimer mátrixban, valamint a cirkónium-foszfát rétegek és a polimer mátrix kompatibilitásának javításához az a-ZrP szerves módosítására van szükség. α - ZrP-t általában kis molekula aminokkal vagy alkoholokkal módosítják OH protonációs reakciókon keresztül vagy hidrogénkötésen keresztül azok rétegein belül és kívül, és nagy molekulákkal is interkalálható. A kis rétegközti távolság miatt azonban nehéz közvetlenül nagy molekulákat interkalálni, és általában kis molekula előtámogatást igényel a nagy molekulákkal való cseréje előtt.

A hosszú láncú négyes ammóniumsókat (DMA-CMS) oktadecildimetilaminnal (DMA) és p-klórmetilsztirolnal (CMS) szintetizálták. Az α-ZrP-t metilaminnal előre támogatták, majd DMA-CMS-vel cserélték, hogy szervesen módosított cirkónium-foszfátot (ZrP. DMA. CMS). A szervesen kezelt cirkónium-foszfátot ezután PS-vel kevertük, hogy PS/szervesen módosított cirkónium-foszfát nanokompozitokat készítsenek, és tanulmányoztuk szerkezetüket és tulajdonságaikat.

Az XRD analízis azt mutatja, hogy a DMA-CMS hosszú láncú négyes ammóniumsó viszonylag könnyen behelyezhető az α-ZrP rétegek közé metilamin előtámasztás után. Az interkaláció után a cirkónium-foszfát rétegközti távolsága 0,8 nm-ről 4,0 nm-re nő, és az interkalációs hatás jelentős. A ZrP DMA-CMS módosított cirkónium-foszfát (ZrP DMA-CMS) és PS kétcsavaros extrudálásával előállított nanokompozit anyag tovább bővíti a köztes réteg távolságát 4,0 nm-ről 4,3 nm-re a ZrP DMA-CMS-hez képest, némi polisztirol kerül a cirkónium-foszfát köztes rétegébe.

Mechanikai elemzés azt mutatja, hogy amikor a cirkónium-foszfát tartalma 1%, a PS/szerves módosított cirkónium-foszfát nanokompozitok szakítószilárdsága, rugalmas modulja, törésnyúlása és ütési szilárdsága 4%, 21%, 8%, illetve 43%-kal nő. De a cirkónium-foszfát tartalom növekedésével a nanokompozitok szakítószilárdsága, rugalmas modulusa, törésnyúlása és ütésszilárdsága lefelé irányul, és az anyag szilárdsága, merevsége és szívóssága csökken. Megfelelő mennyiségű szerves módosított cirkónium-foszfát ZrP DMA-CMS hozzáadása bizonyos erősítő és keményítő hatással van a PS-re.