1. Definiţie

Materialele compozite sunt materiale noi formate prin optimizarea și combinarea diferitelor proprietăți ale componentelor materiale folosind tehnici avansate de pregătire a materialului. Definiția generală a materialelor compozite necesită îndeplinirea următoarelor condiții:

(i) materialele compozite trebuie să fie artificiale și proiectate și fabricate în funcție de nevoile oamenilor;

(ii) materialele compozite trebuie să fie compuse din două sau mai multe componente materiale cu proprietăți chimice și fizice diferite, combinate în forma, proporția și distribuția proiectate, cu interfețe clare între fiecare componentă;

(iii) are proiectabilitate structurală și poate fi utilizat pentru proiectarea structurii compozite;

(iv) Materialele compozite nu numai că mențin avantajele performanței fiecărui material component, ci și obțin performanțe cuprinzătoare care nu pot fi obținute de un singur material component prin complementaritatea și corelarea performanțelor fiecărei componente.

Materialele matricii de materiale compozite sunt împărțite în două categorii: metalice și nemetalice. Substraturile metalice utilizate frecvent includ aluminiu, magneziu, cupru, titan și aliajele lor. Substraturile nemetalice includ în principal rășini sintetice, cauciuc, ceramică, grafit, carbon etc. Principalele materiale de armare includ fibra de sticlă, fibra de carbon, fibra de bor, fibra aramidă, fibra de carbură de siliciu, fibra de azbest, mustățile și metalele.

2. Clasificare

Materialele compozite sunt un amestec. A jucat un rol semnificativ în multe domenii, înlocuind multe materiale tradiționale. Materialele compozite sunt împărțite în materiale compozite metalice la metal, materiale compozite non-metal la metal și materiale compozite non-metal la non-metal în funcție de compoziția lor. În funcție de caracteristicile sale structurale, acesta poate fi împărțit în continuare în:

① Materiale compozite armate cu fibre. Compozitați diferite materiale armate cu fibre în interiorul materialului matrice. Cum ar fi plastic armat cu fibre, metale armate cu fibre etc.

② Materiale compozite laminate. Compus din materiale de suprafață și materiale de bază cu proprietăți diferite. De obicei, materialul de suprafață are o rezistență ridicată și este subțire; Materialul de bază este ușor și are rezistență scăzută, dar are o anumită rigiditate și grosime. Este împărțit în două tipuri: sandwich solid și sandwich fagure.

② Materiale compozite cu granulație fină. Distribuiți uniform particulele fine dure în matrice, cum ar fi aliajele întărite prin dispersie, ceramică metalică etc.

② Materiale compozite hibride. Compus din două sau mai multe materiale de fază de armare amestecate într-o singură matrice de fază. În comparație cu materialele compozite obișnuite monofazate, rezistența la impact, rezistența la oboseală și rezistența la fractură sunt îmbunătățite semnificativ și are proprietăți speciale de expansiune termică. Împărțit în hibrid intra strat, hibrid inter strat, hibrid sandwich, hibrid intra / inter strat, și materiale compozite super hibrid.

Materialele compozite pot fi împărțite în principal în două categorii: materiale compozite structurale și materiale compozite funcționale.

Materialele compozite structurale sunt materiale utilizate ca structuri portante, care sunt compuse practic din elemente de armare care pot rezista la sarcini și elemente matrice care pot conecta elementele de armare într-un material întreg, transmițând, de asemenea, forțe. Întăririle includ diferite tipuri de sticlă, ceramică, carbon, polimeri, metale, precum și fibre naturale, țesături, mustăți, foi și particule, în timp ce matricele includ polimeri (rășini), metale, ceramică, sticlă, carbon și ciment. Diferite materiale compozite structurale pot fi compuse din diferiți agenți de armare și matrici, și numite după matricea utilizată, cum ar fi materialele compozite pe bază de polimer (rășină). Caracteristica materialelor compozite structurale este că pot fi proiectate pentru selectarea componentelor în funcție de cerințele stresului materialului în timpul utilizării și, mai important, proiectarea structurii compozite poate fi efectuată, adică proiectarea aranjamentului de armare, care poate satisface în mod rezonabil nevoile și poate salva materialele.

Materialele compozite funcționale sunt, în general, compuse din componente funcționale ale corpului și componente matrice, matricea nu numai că joacă un rol în formarea întregului, dar, de asemenea, poate produce funcții sinergice sau de consolidare. Materialele compozite funcționale se referă la materialele compozite care oferă proprietăți fizice, altele decât proprietățile mecanice. De exemplu, conductivitatea, superconductivitatea, semiconductorul, magnetismul, piezoelectricitatea, amortizarea, absorbția, transmisia, frecarea, ecranarea, întârzierea flăcării, rezistența la căldură, absorbția fonică, izolația etc evidențiază o anumită funcție. Numite colectiv materiale compozite funcționale. Materialele compozite funcționale sunt compuse în principal din corpuri funcționale, corpuri de armare și matrici. Corpurile funcționale pot fi compuse din unul sau mai multe materiale funcționale. Materialele compozite multifuncționale pot avea mai multe funcții. Între timp, este posibilă generarea de funcții noi datorită efectelor compuse. Materialele compozite multifuncționale sunt direcția de dezvoltare a materialelor compozite funcționale.

Materialele compozite pot fi, de asemenea, împărțite în două categorii: utilizate în mod obișnuit și avansate.

Materialele compozite comune, cum ar fi fibra de sticlă, sunt compuse din întăriri de performanță scăzută, cum ar fi fibre de sticlă și polimeri obișnuiți de înaltă calitate (rășini). Datorită prețului său scăzut, a fost utilizat pe scară largă în diverse domenii, cum ar fi nave, vehicule, conducte chimice și rezervoare de stocare, structuri de construcții și echipamente sportive.

Materialele compozite avansate se referă la materiale compozite compuse din polimeri rezistenți la căldură de înaltă performanță, cum ar fi fibra de carbon și aramida. Mai târziu, pe bază de metal, pe bază de ceramică, pe bază de carbon (grafit) și materiale compozite funcționale au fost, de asemenea, incluse. Deși au performanțe excelente, prețurile lor sunt relativ ridicate, utilizate în principal în industria de apărare, aerospațială, mașini de precizie, submersibile de adâncime, componente structurale ale roboților și echipamente sportive de înaltă generație.

3. Aplicare

Principalele domenii de aplicare ale materialelor compozite sunt:

① Câmp aerospațial. Datorită stabilității termice bune, rezistenței specifice ridicate și rigidității, materialele compozite pot fi utilizate pentru fabricarea aripilor și a fronturilor aeronavelor, antenelor satelit și structurilor lor de sprijin, aripilor celulelor solare și cochiliilor, cochiliilor vehiculelor mari de lansare, cochiliilor motoarelor, componentelor structurale ale navetelor spațiale etc.

② Industria auto. Datorită caracteristicilor speciale de amortizare a vibrațiilor ale materialelor compozite, acestea pot reduce vibrațiile și zgomotul, au o bună rezistență la oboseală, sunt ușor de reparat după deteriorare și sunt ușor de format în ansamblu. Prin urmare, ele pot fi utilizate pentru fabricarea caroseriilor auto, componentelor portante, arborilor de transmisie, monturilor motorului și componentelor lor interne.

② În domeniul producției chimice, textile și utilaje. Un material compus din fibră de carbon și matrice de rășină cu o bună rezistență la coroziune, care poate fi utilizat pentru fabricarea echipamentelor chimice, mașinilor textile, mașinilor de hârtie, copiatoarelor, mașinilor unelte de mare viteză, instrumentelor de precizie etc.

② Domeniul medical. Materialele compozite din fibră de carbon au proprietăți mecanice excelente și neabsorbția razelor X și pot fi utilizate pentru fabricarea mașinilor medicale cu raze X și stenturi ortopedice. Materialele compozite din fibră de carbon au, de asemenea, biocompatibilitate și compatibilitate cu sângele, stabilitate bună în mediile biologice și sunt, de asemenea, utilizate ca materiale biomedicale. În plus, materialele compozite sunt, de asemenea, utilizate pentru fabricarea echipamentelor sportive și ca materiale de construcție.

4. Fosfat de zirconiu modificat material compozit

În ultimii ani, nanocompozitele stratificate polimerice/anorganice au atras atenția largă datorită proprietăților lor excelente în diferite aspecte. Numeroase studii au arătat că proprietățile mecanice și termice ale materialelor compozite pot fi îmbunătățite semnificativ cu un conținut mic de nano-umpluturi anorganice. În prezent, au existat multe studii privind nanocompozitele materialelor stratificate anorganice, cum ar fi montmorillonitul și atapulgitul cu polimeri, dar există relativ puține cercetări privind nanocompozitele polimer / fosfat de zirconiu.

Laminatul α - ZrP are o structură stabilă și poate menține un laminat relativ stabil chiar și după introducerea oaspetelui în stratul intermediar. De asemenea, are o capacitate mare de schimb de ioni și dispune de raport de aspect controlabil și distribuție îngustă a dimensiunii particulelor, ceea ce îl face potrivit pentru prepararea nanocompozitelor anorganice polimerice/stratificate. Pentru a crește distanța dintre straturile intermediare ale fosfatului de zirconiu, a promova delaminarea acestuia în matricea polimerică și a spori compatibilitatea dintre straturile de fosfat de zirconiu și matricea polimerică, este necesară modificarea organică a-ZrP. α - ZrP este modificat în general cu amine molecule mici sau alcooli prin reacții de protonare OH sau prin legarea hidrogenului în interiorul și exteriorul straturilor lor, și poate fi, de asemenea, intercalat cu molecule mari. Cu toate acestea, datorită spațierii mici între straturi, este dificil să intercalați direct molecule mari și, de obicei, necesită suport prealabil moleculelor mici înainte de a face schimb cu molecule mari.

Sărurile de amoniu cuternare cu lanț lung (DMA-CMS) au fost sintetizate folosind octadecildimetilamină (DMA) și p-clorometilstiren (CMS). α-ZrP a fost pre-susținut cu metilamină și apoi schimbat cu DMA-CMS pentru a obține fosfat de zirconiu modificat organic (ZrP. DMA. CMS). Fosfatul de zirconiu tratat organic a fost apoi topit amestecat cu PS pentru a prepara nanocompozitele PS/fosfatul de zirconiu modificat organic, iar structura și proprietățile lor au fost studiate.

Analiza XRD arată că sarea de amoniu cuternară DMA-CMS cuternară cu lanț lung este relativ ușor de introdus între straturile α - ZrP după pre-suport metilamină. După intercalare, distanța dintre straturile de fosfat de zirconiu crește de la 0,8 nm la 4,0 nm, iar efectul de intercalare este semnificativ. Materialul nanocompozit pregătit prin extrudarea cu două șuruburi a fosfatului de zirconiu modificat ZrP DMA-CMS (ZrP DMA-CMS) și PS extinde în continuare spațierea straturilor intermediare de la 4,0 nm la 4,3 nm comparativ cu ZrP DMA-CMS, cu un anumit polistiren care intră în stratul intermediar al fosfatului de zirconiu.

Analiza mecanică arată că atunci când conținutul de fosfat de zirconiu este de 1%, rezistența la tracțiune, modulul elastic, alungirea la rupere și rezistența la impact a nanocompozitelor PS / fosfat de zirconiu modificat organic sunt crescute cu 4%, 21%, 8%, respectiv 43%. Dar odată cu creșterea conținutului de fosfat de zirconiu, rezistența la tracțiune, modulul elastic, alungirea la rupere și rezistența la impact a nanocompozitelor arată o tendință descendentă, iar rezistența, rigiditatea și duritatea materialului încep să scadă. Adăugarea unei cantități adecvate de fosfat de zirconiu modificat organic ZrP DMA-CMS are un anumit efect de întărire și întărire asupra PS.