1. Definitie

Composietmaterialen zijn nieuwe materialen die worden gevormd door het optimaliseren en combineren van verschillende eigenschappen van materiaalcomponenten met behulp van geavanceerde materiaalvoorbereidingstechnieken. De algemene definitie van composietmaterialen vereist dat aan de volgende voorwaarden wordt voldaan:

(i) Samengestelde materialen moeten kunstmatig zijn en ontworpen en vervaardigd volgens de behoeften van mensen;

ii) Samengestelde materialen moeten bestaan uit twee of meer materiaalcomponenten met verschillende chemische en fysische eigenschappen, gecombineerd in de ontworpen vorm, verhouding en verdeling, met duidelijke interfaces tussen elk onderdeel;

(iii) Het heeft structurele ontwerpbaarheid en kan worden gebruikt voor composietstructuurontwerp;

iv) Samengestelde materialen behouden niet alleen de voordelen van de prestaties van elk componentmateriaal, maar bereiken ook uitgebreide prestaties die niet door één componentmateriaal kunnen worden bereikt door de complementariteit en correlatie van de prestaties van elk component.

De matrixmaterialen van composietmaterialen zijn onderverdeeld in twee categorieën: metalen en niet-metalen. Veel gebruikte metalen substraten omvatten aluminium, magnesium, koper, titanium en hun legeringen. Niet-metalen substraten omvatten voornamelijk synthetische harsen, rubber, keramiek, grafiet, koolstof, enz. De belangrijkste versterkende materialen omvatten glasvezel, koolstofvezel, boorvezel, aramidevezel, siliciumcarbide vezel, asbestvezel, snorharen en metalen.

2. Classificatie

Samengestelde materialen zijn een mengsel. Het heeft op veel gebieden een belangrijke rol gespeeld en vele traditionele materialen vervangen. Samengestelde materialen zijn onderverdeeld in metaal tot metaal samengestelde materialen, niet-metaal tot metaal samengestelde materialen, en niet-metaal tot niet-metaal samengestelde materialen volgens hun samenstelling. Volgens zijn structurele kenmerken kan het verder worden onderverdeeld in:

① Vezelversterkte composietmaterialen. Composiet verschillende vezelversterkte materialen binnen het matrixmateriaal. Zoals vezelversterkte kunststoffen, vezelversterkte metalen, enz.

② Gelamineerde composietmaterialen. Samengesteld uit oppervlaktematerialen en kernmaterialen met verschillende eigenschappen. Meestal heeft het oppervlaktemateriaal hoge sterkte en is dun; Het kernmateriaal is licht en heeft een lage sterkte, maar het heeft een bepaalde stijfheid en dikte. Het is verdeeld in twee soorten: stevige sandwich en honingraat sandwich.

③ Fijnkorrelige composietmaterialen. Gelijkmatig verdelen harde fijne deeltjes in de matrix, zoals dispersie versterkte legeringen, metaalkeramiek, enz.

④ Hybride composietmaterialen. Bestaat uit twee of meer versterkende fasematerialen gemengd in één matrixfasemateriaal. Vergeleken met gewone enkelvoudige versterkte fase composietmaterialen, zijn de slagsterkte, vermoeidheidssterkte en breuktaaiheid aanzienlijk verbeterd, en het heeft speciale thermische uitzettingseigenschappen. Verdeeld in intra layer hybride, inter layer hybride, sandwichhybride, intra/inter layer hybride, en super hybride composietmaterialen.

Samengestelde materialen kunnen hoofdzakelijk worden onderverdeeld in twee categorieën: structurele composietmaterialen en functionele composietmaterialen.

Structurele composietmaterialen zijn materialen die worden gebruikt als dragende structuren, die in principe bestaan uit versterkende elementen die belastingen kunnen weerstaan en matrixelementen die de versterkende elementen in een geheel materiaal kunnen verbinden en tegelijkertijd krachten kunnen overbrengen. Versterkingen omvatten verschillende soorten glas, keramiek, koolstof, polymeren, metalen, evenals natuurlijke vezels, stoffen, snorharen, platen en deeltjes, terwijl matrices polymeren (harsen), metalen, keramiek, glas, koolstof en cement omvatten. Verschillende structurele composietmaterialen kunnen worden samengesteld uit verschillende versterkingsmiddelen en matrices, en genoemd naar de gebruikte matrix, zoals polymeer (hars) gebaseerde composietmaterialen. Het kenmerk van structurele composietmaterialen is dat ze kunnen worden ontworpen voor componentenkeuze volgens de vereisten van de spanning van het materiaal tijdens gebruik, en belangrijker, het composietstructuurontwerp kan ook worden uitgevoerd, dat wil zeggen, het ontwerp van de wapeningsopstelling, dat redelijkerwijs aan de behoeften kan voldoen en materialen kan besparen.

Functionele composietmaterialen bestaan over het algemeen uit functionele lichaamscomponenten en matrixcomponenten. De matrix speelt niet alleen een rol in het vormen van het geheel, maar kan ook synergetische of versterkende functies produceren. Functionele composietmaterialen verwijzen naar composietmaterialen die andere fysische eigenschappen dan mechanische eigenschappen bieden. Bijvoorbeeld, geleidbaarheid, supergeleidbaarheid, halfgeleider, magnetisme, piezoelektrica, demping, absorptie, transmissie, wrijving, afscherming, vlamvertraging, hittebestendigheid, geluidsabsorptie, isolatie, enz. benadrukken een bepaalde functie. Gezamenlijk aangeduid als functionele composietmaterialen. Functionele composietmaterialen zijn voornamelijk samengesteld uit functionele lichamen, versterkende lichamen en matrices. Functionele lichamen kunnen bestaan uit één of meer functionele materialen. Multifunctionele composietmaterialen kunnen meerdere functies hebben. Ondertussen is het ook mogelijk om nieuwe functies te genereren door samengestelde effecten. Multifunctionele composietmaterialen zijn de ontwikkelingsrichting van functionele composietmaterialen.

Samengestelde materialen kunnen ook worden onderverdeeld in twee categorieën: algemeen gebruikt en geavanceerd.

Gemeenschappelijke composietmaterialen zoals glasvezel zijn samengesteld uit versterkingen met lage prestaties zoals glasvezels en gewone hoge polymeren (harsen). Vanwege zijn lage prijs, is het op grote schaal gebruikt op verschillende gebieden zoals schepen, voertuigen, chemische pijpleidingen en opslagtanks, bouwstructuren en sportapparatuur.

Geavanceerde composietmaterialen verwijzen naar composietmaterialen die bestaan uit hoogwaardige hittebestendige polymeren zoals koolstofvezel en aramide. Later werden ook metalen, keramische, koolstof (grafiet) gebaseerde en functionele composietmaterialen opgenomen. Hoewel ze uitstekende prestaties hebben, zijn hun prijzen relatief hoog, voornamelijk gebruikt in de defensie-industrie, lucht- en ruimtevaart, precisiemachines, diepzeeduikboten, robotstructurele componenten en high-end sportapparatuur.

3. Toepassing

De belangrijkste toepassingsgebieden van composietmaterialen zijn:

① Luchtvaart veld. Vanwege hun goede thermische stabiliteit, hoge specifieke sterkte en stijfheid, kunnen composietmaterialen worden gebruikt om vliegtuigvleugels en voorlichamen, satellietantennes en hun ondersteunende structuren, zonnecelvleugels en -schelpen, grote lanceervoertuigschelpen, motorschelpen, ruimteshuttlestructurele componenten, enz. te vervaardigen.

② De automobielindustrie. Vanwege de speciale trillingsdempende eigenschappen van composietmaterialen, kunnen ze trillingen en geluid verminderen, hebben een goede vermoeidheidsweerstand, zijn gemakkelijk te repareren na schade, en zijn gemakkelijk te vormen als geheel. Daarom kunnen ze worden gebruikt om automobiellichamen, dragende componenten, transmissieassen, motorsteunen en hun interne componenten te vervaardigen.

③ Op het gebied van chemische, textiel, en machineproductie. Een materiaal samengesteld uit koolstofvezel en harsmatrix met goede corrosieweerstand, die kan worden gebruikt om chemische apparatuur, textielmachines, papiermachines, kopieermachines, hogesnelheidswerktuigen, precisieinstrumenten, enz. te vervaardigen.

④ Medisch gebied. Koolstofvezelcomposietmaterialen hebben uitstekende mechanische eigenschappen en niet-absorptie van röntgenstralen, en kunnen worden gebruikt om medische röntgenmachines en orthopedische stents te vervaardigen. Koolstofvezelcomposietmaterialen hebben ook biocompatibiliteit en bloedcompatibiliteit, goede stabiliteit in biologische omgevingen, en worden ook gebruikt als biomedische materialen. Daarnaast worden composietmaterialen ook gebruikt voor de productie van sportuitrusting en als bouwmaterialen.

4. Gemodificeerd samengestelde materiaal van zirkoniumfosfaat

In de afgelopen jaren hebben polymeer/anorganische gelaagde nanocomposieten wijdverspreide aandacht getrokken vanwege hun uitstekende eigenschappen in diverse aspecten. Talrijke studies hebben aangetoond dat de mechanische en thermische eigenschappen van composietmaterialen aanzienlijk kunnen worden verbeterd met een klein gehalte aan nano anorganische vulstoffen. Momenteel, zijn er veel studies op de nanocomposieten van anorganische gelaagde materialen zoals montmorilloniet en attapulgite met polymeren geweest, maar er is relatief weinig onderzoek op polymeer/zirkoniumfosfaat nanocomposieten.

Het laminaat α-3ZrP heeft een stabiele structuur en kan zelfs na de introductie van de gast in de tussenlaag een relatief stabiel laminaat handhaven. Het heeft ook een grote ionenwisselingscapaciteit en beschikt over controleerbare beeldverhouding en smalle deeltjesgrootteverdeling, waardoor het geschikt is voor de voorbereiding van polymeer/gelaagde anorganische nanocomposieten. Om de tussenlaagse afstand van zirkoniumfosfaat te vergroten, de delaminatie ervan in de polymeermatrix te bevorderen en de compatibiliteit tussen zirkoniumfosfaatlagen en de polymeermatrix te verbeteren, is organische modificatie van a-ZrP vereist. α-ZrP wordt over het algemeen gemodificeerd met kleine molecule amines of alcoholen door middel van perOH protonatiereacties of waterstofbinding binnen en buiten hun lagen, en kan ook worden geïntercaleerd met grote moleculen. Echter, vanwege de kleine tussenlaag afstand, is het moeilijk om grote moleculen direct te intercaleren, en vereist meestal kleine molecule pre ondersteuning voordat wordt uitgewisseld met grote moleculen.

Lange keten quaternaire ammoniumzouten (DMA-CMS) werden gesynthetiseerd met octadecyldimethylamine (DMA) en p-chloormethylstyreen (CMS). Het α-ZrP werd vooraf ondersteund met methylamine en vervolgens uitgewisseld met DMA-CMS om organisch gemodificeerd zirkoniumfosfaat te verkrijgen (ZrP. DMA. CMS). Het organisch behandelde zirkoniumfosfaat werd vervolgens gemengd met PS om PS/organisch gemodificeerde zirkoniumfosfaat nanocomposieten te bereiden, en hun structuur en eigenschappen werden bestudeerd.

XRD-analyse toont aan dat lange keten quaternair ammoniumzout DMA-CMS relatief gemakkelijk tussen de lagen van α-ZrP na methylamine pre-ondersteuning te plaatsen is Na intercalatie neemt de tussenlaagse afstand van zirkoniumfosfaat toe van 0.8 nm tot 4.0 nm, en het intercalatieeffect is significant. Het nanocomposietmateriaal bereid door tweeschroefuitdrijving van ZrP DMA-CMS gemodificeerde zirkoniumfosfaat (ZrP DMA-CMS) en PS breidt de tussenlaagsafstand van 4.0 nm tot 4.3 nm in vergelijking met ZrP DMA-CMS verder uit, met wat polystyreen die de tussenlaag van zirkoniumfosfaat binnengaat.

Mechanische analyse toont aan dat wanneer het gehalte aan zirkoniumfosfaat 1%, de treksterkte, elastische modulus, verlenging bij breuk, en effectsterkte van PS/organische gemodificeerde zirkoniumfosfaat nanocomposieten met respectievelijk 4%, 21%, 8%, en 43%, worden verhoogd. Maar met de toename van zirkoniumfosfaatgehalte, tonen de treksterkte, elastische modulus, verlenging bij breuk, en effectsterkte van nanocomposieten een neerwaartse trend, en de sterkte, stijfheid, en taaiheid van het materiaal beginnen te verminderen. De toevoeging van een passende hoeveelheid organisch gemodificeerd zirkoniumfosfaat ZrP DMA-CMS heeft een zekere versterkende en hardende werking op PS.