1. Definição

Materiais compósitos são novos materiais formados pela otimização e combinação de diferentes propriedades de componentes de materiais usando técnicas avançadas de preparação de materiais. A definição geral de materiais compósitos exige que sejam cumpridas as seguintes condições:

(i) Os materiais compósitos devem ser artificiais e concebidos e fabricados de acordo com as necessidades das pessoas;

ii) Os materiais compósitos devem ser compostos por dois ou mais componentes materiais com propriedades químicas e físicas diferentes, combinados na forma, proporção e distribuição concebidos, com interfaces claras entre cada componente;

(iii) Tem designability estrutural e pode ser usado para o projeto composto da estrutura;

(iv) Os materiais compósitos não só mantêm as vantagens do desempenho de cada material componente, mas também alcançam um desempenho abrangente que não pode ser alcançado por um único material componente através da complementaridade e correlação do desempenho de cada componente.

Os materiais matriciais de materiais compósitos são divididos em duas categorias: metálicos e não metálicos. Os substratos metálicos comumente usados incluem alumínio, magnésio, cobre, titânio e suas ligas. Os substratos não metálicos incluem principalmente resinas sintéticas, borracha, cerâmica, grafite, carbono, etc. Os principais materiais de reforço incluem fibra de vidro, fibra de carbono, fibra de boro, fibra de aramida, fibra de carboneto de silício, fibra de amianto, bigodes e metais.

2. Classificação

Os materiais compósitos são uma mistura. Tem desempenhado um papel significativo em muitos campos, substituindo muitos materiais tradicionais. Os materiais compósitos são divididos em materiais compósitos de metal para metal, materiais compósitos não metálicos para metal e materiais compósitos não metálicos para não metálicos de acordo com sua composição. De acordo com suas características estruturais, ele pode ser dividido em:

① Materiais compósitos reforçados com fibra. Componha vários materiais reforçados com fibra dentro do material da matriz. Tais como plásticos reforçados com fibra, metais reforçados com fibra, etc.

② Materiais compósitos laminados. Composto por materiais de superfície e materiais de núcleo com propriedades diferentes. Geralmente, o material de superfície tem alta resistência e é fino; O material do núcleo é leve e tem baixa resistência, mas tem uma certa rigidez e espessura. É dividido em dois tipos: sanduíche sólido e sanduíche de favo de mel.

① Materiais compósitos de granulação fina. Distribua uniformemente partículas finas duras na matriz, como ligas reforçadas por dispersão, cerâmica metálica, etc.

① Materiais compósitos híbridos. Composto por dois ou mais materiais de fase de reforço misturados em um material de fase matricial. Comparado com materiais compostos de fase única reforçados comuns, sua resistência ao impacto, resistência à fadiga e tenacidade à fratura são significativamente melhoradas, e tem propriedades especiais de expansão térmica. Dividido em híbrido intra camada, híbrido inter camada, híbrido sanduíche, híbrido intra / inter camada e materiais compósitos super híbridos.

Os materiais compósitos podem ser divididos principalmente em duas categorias: materiais compósitos estruturais e materiais compósitos funcionais.

Materiais compósitos estruturais são materiais usados como estruturas de suporte de carga, que são basicamente compostos por elementos de reforço que podem suportar cargas e elementos matriciais que podem conectar os elementos de reforço em um material inteiro, transmitindo também forças. Os reforços incluem vários tipos de vidro, cerâmica, carbono, polímeros, metais, bem como fibras naturais, tecidos, bigodes, folhas e partículas, enquanto as matrizes incluem polímeros (resinas), metais, cerâmica, vidro, carbono e cimento. Vários materiais compósitos estruturais podem ser compostos de diferentes agentes de reforço e matrizes, e nomeados após a matriz usada, tais como materiais compósitos à base de polímero (resina). A característica dos materiais compósitos estruturais é que eles podem ser projetados para seleção de componentes de acordo com os requisitos do estresse do material durante o uso, e mais importante, o projeto de estrutura composta também pode ser realizado, ou seja, o projeto de arranjo de reforço, que pode razoavelmente atender às necessidades e economizar materiais.

Os materiais compósitos funcionais são geralmente compostos por componentes funcionais do corpo e componentes da matriz. A matriz não só desempenha um papel na formação do todo, mas também pode produzir funções sinérgicas ou de reforço. Materiais compósitos funcionais referem-se a materiais compósitos que fornecem propriedades físicas diferentes das propriedades mecânicas. Por exemplo, condutividade, supercondutividade, semicondutor, magnetismo, piezoeletricidade, amortecimento, absorção, transmissão, fricção, blindagem, retardamento de chama, resistência ao calor, absorção sadia, isolamento, etc. destacam uma determinada função. Colectivamente referidos como materiais compósitos funcionais. Materiais compósitos funcionais são compostos principalmente de corpos funcionais, corpos de reforço e matrizes. Os corpos funcionais podem ser compostos por um ou mais materiais funcionais. Materiais compósitos multifuncionais podem ter múltiplas funções. Enquanto isso, também é possível gerar novas funções devido a efeitos compostos. Materiais compósitos multifuncionais são a direção de desenvolvimento de materiais compósitos funcionais.

Os materiais compósitos também podem ser divididos em duas categorias: comumente usados e avançados.

Materiais compósitos comuns, como fibra de vidro, são compostos de reforços de baixo desempenho, como fibras de vidro e polímeros altos comuns (resinas). Devido ao seu baixo preço, tem sido amplamente utilizado em vários campos, como navios, veículos, dutos químicos e tanques de armazenamento, estruturas de construção e equipamentos esportivos.

Materiais compósitos avançados referem-se a materiais compósitos compostos de polímeros resistentes ao calor de alto desempenho, como fibra de carbono e aramida. Posteriormente, materiais à base de metal, cerâmica, carbono (grafite) e compostos funcionais também foram incluídos. Embora tenham excelente desempenho, seus preços são relativamente altos, usados principalmente na indústria de defesa, aeroespacial, máquinas de precisão, submersíveis em alto mar, componentes estruturais de robôs e equipamentos esportivos de alta qualidade.

3. Aplicação

As principais áreas de aplicação de materiais compósitos são:

① Campo aeroespacial. Devido à sua boa estabilidade térmica, alta resistência específica e rigidez, materiais compósitos podem ser usados para fabricar asas e antepassados de aeronaves, antenas de satélite e suas estruturas de suporte, asas e conchas de células solares, conchas de veículos lançadores grandes, conchas de motor, componentes estruturais de ônibus espacial, etc.

② A indústria automóvel. Devido às características especiais de amortecimento de vibração de materiais compósitos, eles podem reduzir a vibração e o ruído, têm boa resistência à fadiga, são fáceis de reparar após danos e são fáceis de formar como um todo. Portanto, eles podem ser usados para fabricar corpos de automóveis, componentes de rolamento de carga, eixos de transmissão, montagens de motor e seus componentes internos.

① Nos campos de fabricação de produtos químicos, têxteis e máquinas. Um material composto de fibra de carbono e matriz de resina com boa resistência à corrosão, que pode ser usado para fabricar equipamentos químicos, máquinas têxteis, máquinas de papel, copiadoras, máquinas-ferramentas de alta velocidade, instrumentos de precisão, etc.

① Campo médico. Os materiais compósitos de fibra de carbono têm excelentes propriedades mecânicas e não absorção de raios X, e podem ser usados para fabricar máquinas médicas de raios X e stents ortopédicos. Os materiais compósitos de fibra de carbono também têm biocompatibilidade e compatibilidade sanguínea, boa estabilidade em ambientes biológicos e também são usados como materiais biomédicos. Além disso, materiais compósitos também são usados para a fabricação de equipamentos esportivos e como materiais de construção.

4. Material compósito modificado com fosfato de zircónio

Nos últimos anos, os nanocompósitos estratificados polímeros/inorgânicos têm atraído a atenção generalizada devido às suas excelentes propriedades em vários aspectos.Numerosos estudos mostraram que as propriedades mecânicas e térmicas dos materiais compósitos podem ser significativamente melhoradas com um pequeno teor de nanocargas inorgânicas. Atualmente, tem havido muitos estudos sobre os nanocompósitos de materiais inorgânicos em camadas, tais como montmorilonite e attaplgite com polímeros, mas há relativamente pouca pesquisa em nanocompósitos de fosfato de polímero/zircônio.

O laminado α - ZrP tem uma estrutura estável e pode manter um laminado relativamente estável mesmo após a introdução do convidado no interlayer.Ele também tem uma grande capacidade de troca iônica e apresenta relação de aspecto controlável e distribuição estreita do tamanho da partícula, tornando-o apropriado para a preparação de nanocompósitos inorgânicos de polímero / camadas. Para aumentar o espaçamento entre camadas do fosfato de zircônio, promover sua delaminação na matriz polimérica e melhorar a compatibilidade entre camadas de fosfato de zircônio e a matriz polimérica, a modificação orgânica de a-ZrP é necessária. α - ZrP é geralmente modificado com pequenas moléculas aminas ou álcoois através de reações de protonação OH ou ligação de hidrogênio dentro e fora de suas camadas, e também pode ser intercalado com moléculas grandes. No entanto, devido ao pequeno espaçamento entre camadas, é difícil intercalar diretamente moléculas grandes, e geralmente requer pequena molécula pré suporte antes de trocar com moléculas grandes.

Os sais quaternários de amônio de cadeia longa (DMA-CMS) foram sintetizados utilizando octadecildimetilamina (DMA) e p-clorometilestireno (CMS). O α-ZrP foi pré-suportado com metilamina e depois trocado com DMA-CMS para obter fosfato de zircônio modificado organicamente (ZrP. DMA. CMS). O fosfato de zircônio tratado organicamente foi então fundido misturado com PS para preparar nanocompósitos PS/fosfato de zircônio modificado organicamente, e sua estrutura e propriedades foram estudadas.

A análise por DRX mostra que o sal quaternário de amônio de cadeia longa DMA-CMS é relativamente fácil de inserir entre as camadas de α - ZrP após pré-suporte de metilamina. Após a intercalação, a distância da camada do fosfato de zircônio aumenta de 0,8 nm para 4,0 nm, e o efeito de intercalação é significativo. O material nanocompósito preparado pela extrusão de parafuso duplo do fosfato de zircônio modificado de ZrP DMA-CMS (ZrP DMA-CMS) e PS expande ainda mais o espaçamento interlayer de 4,0 nm a 4,3 nm comparado a ZrP DMA-CMS, com algum poliestireno entrando na interlayer de fosfato de zircônio.

A análise mecânica mostra que quando o teor de fosfato de zircônio é de 1%, a resistência à tração, o módulo elástico, o alongamento na ruptura e a resistência ao impacto de nanocompósitos PS/fosfato de zircônio modificado orgânico são aumentados em 4%, 21%, 8%, e 43%, respectivamente. Mas com o aumento do teor de fosfato de zircônio, a resistência à tração, o módulo elástico, o alongamento na ruptura e a resistência ao impacto dos nanocompósitos mostram uma tendência descendente, e a resistência, rigidez e tenacidade do material começam a diminuir. A adição de uma quantidade apropriada de fosfato de zircônio modificado orgânico ZrP DMA-CMS tem um certo efeito de fortalecimento e endurecimento no PS.