1. Opredelitev

Sestavljeni materiali so novi materiali, nastali z optimizacijo in kombiniranjem različnih lastnosti materialnih komponent z uporabo naprednih tehnik priprave materiala. Splošna opredelitev kompozitnih materialov zahteva, da so izpolnjeni naslednji pogoji:

(i) sestavljeni materiali morajo biti umetni ter oblikovani in izdelani glede na potrebe ljudi;

(ii) sestavljeni materiali morajo biti sestavljeni iz dveh ali več materialnih sestavnih delov z različnimi kemičnimi in fizikalnimi lastnostmi, kombiniranih v obliki, sorazmerju in porazdelitvi, z jasnimi vmesniki med vsako komponento;

(iii) ima strukturno oblikovanje in se lahko uporablja za konstrukcijo kompozitnih konstrukcij;

(iv) Sestavljeni materiali ne ohranjajo le prednosti zmogljivosti vsakega sestavnega materiala, temveč tudi dosegajo celovito zmogljivost, ki je ni mogoče doseči z enim sestavnim materialom s komplementarnostjo in korelacijo zmogljivosti vsakega sestavnega dela.

Matrični materiali kompozitnih materialov so razdeljeni v dve kategoriji: kovinski in nekovinski. Pogosto uporabljeni kovinski substrati vključujejo aluminij, magnezij, baker, titan in njihove zlitine. Nekovinski substrati vključujejo predvsem sintetične smole, gumo, keramiko, grafit, ogljik itd. Glavni ojačevalni materiali vključujejo steklena vlakna, ogljikova vlakna, borova vlakna, aramidna vlakna, silicijeva karbidna vlakna, azbestna vlakna, brke in kovine.

2. Razvrstitev

Sestavljeni materiali so mešanica. Imel je pomembno vlogo na številnih področjih in nadomeščal številne tradicionalne materiale. Kombinirani materiali so razdeljeni na kovinske kompozitne materiale, nekovinske do kovinske kompozitne materiale in nekovinske do nekovinske kompozitne materiale glede na njihovo sestavo. Glede na strukturne značilnosti ga je mogoče nadalje razdeliti na:

① Kombinirani materiali, ojačani z vlakni. Sestavite različne materiale, ojačane z vlakni znotraj matričnega materiala. Kot so plastika, ojačana z vlakni, kovine, ojačane z vlakni itd.

② Laminirani kompozitni materiali. Sestavljen iz površinskih materialov in materialov jedra z različnimi lastnostmi. Običajno ima površinski material visoko trdnost in je tanek; Jedrni material je lahek in ima nizko trdnost, vendar ima določeno togost in debelino. Razdeljen je na dve vrsti: trden sendvič in sendvič satja.

① Fino zrnati kompozitni materiali. Enotno porazdelite trde drobne delce v matriki, kot so disperzijsko ojačane zlitine, kovinska keramika itd.

① hibridni kompozitni materiali. Sestavljen iz dveh ali več ojačevalnih faznih materialov, mešanih v eno matrično fazo materiala. V primerjavi z navadnimi enofaznimi ojačanimi kompozitnimi materiali se njegova trdnost udarca, utrujenost in žilavost zloma bistveno izboljšajo in ima posebne lastnosti toplotne ekspanzije. Razdeljeno na hibridne znotraj plasti, hibridne znotraj plasti, hibridne sendvič, hibridne znotraj / medplastne in super hibridne kompozitne materiale.

Kombinirani materiali se lahko večinoma razdelijo v dve kategoriji: strukturne kompozitne materiale in funkcionalne kompozitne materiale.

Konstrukcijski kompozitni materiali so materiali, ki se uporabljajo kot nosilne konstrukcije, ki so v osnovi sestavljeni iz ojačevalnih elementov, ki lahko prenesejo obremenitve in matričnih elementov, ki lahko ojačevalne elemente povežejo v celoten material, hkrati pa prenašajo sile. Ojačitve vključujejo različne vrste stekla, keramike, ogljika, polimere, kovine, pa tudi naravna vlakna, tkanine, brke, pločevine in delce, medtem ko matrice vključujejo polimere (smole), kovine, keramiko, steklo, ogljik in cement. Različni strukturni kompozitni materiali so lahko sestavljeni iz različnih ojačevalnih sredstev in matric in poimenovani po uporabljeni matriki, kot so kompozitni materiali na osnovi polimera (smole). Značilnost konstrukcijskih kompozitnih materialov je, da jih je mogoče zasnovati za izbiro komponent v skladu z zahtevami materiala med uporabo, kar je še pomembneje, da se lahko izvede tudi konstrukcija kompozitnih konstrukcij, to je konstrukcija ojačitve, ki lahko razumno zadovolji potrebe in prihrani materiale.

Funkcionalni kompozitni materiali so običajno sestavljeni iz funkcionalnih komponent telesa in matričnih komponent, ki ne igrajo le vloge pri oblikovanju celote, temveč lahko ustvarijo tudi sinergijske ali ojačevalne funkcije. Funkcionalni kompozitni materiali se nanašajo na kompozitne materiale, ki zagotavljajo fizikalne lastnosti, ki niso mehanske lastnosti. Na primer, prevodnost, superprevodnost, polprevodnik, magnetizem, piezoelektrika, dušenje, absorpcija, prenos, trenje, zaščita, zaviranje gorenja, toplotna odpornost, absorpcija zvoka, izolacija itd. poudarjajo določeno funkcijo. Skupno imenovani funkcionalni kompozitni materiali. Funkcionalni kompozitni materiali so sestavljeni predvsem iz funkcionalnih teles, ojačevalnih teles in matric. Funkcionalna telesa so lahko sestavljena iz enega ali več funkcionalnih materialov. Večfunkcionalni kompozitni materiali imajo lahko več funkcij. Medtem pa je mogoče ustvariti nove funkcije zaradi sestavljenih učinkov. Večfunkcionalni kompozitni materiali so smer razvoja funkcionalnih kompozitnih materialov.

Sestavljeni materiali se lahko razdelijo tudi v dve kategoriji: običajno uporabljajo in napredni.

Običajni kompozitni materiali, kot so steklena vlakna, so sestavljeni iz ojačitev nizke zmogljivosti, kot so steklena vlakna in navadni visoki polimeri (smole). Zaradi nizke cene se pogosto uporablja na različnih področjih, kot so ladje, vozila, kemični cevovodi in rezervoarji za skladiščenje, gradbene konstrukcije in športna oprema.

Napredni kompozitni materiali se nanašajo na kompozitne materiale, sestavljene iz visokozmogljivih toplotno odpornih polimerov, kot so ogljikova vlakna in aramid, kasneje pa so bili vključeni tudi kovinski, keramični, ogljikovi (grafitni) in funkcionalni kompozitni materiali. Čeprav imajo odlično zmogljivost, so njihove cene sorazmerno visoke, večinoma se uporabljajo v obrambni industriji, letalski in vesoljski industriji, natančnih strojih, globokomorskih potopnih plovilih, strukturnih komponentah robotov in vrhunski športni opremi.

3. Uporaba

Glavna področja uporabe kompozitnih materialov so:

① Letalsko polje. Zaradi dobre toplotne stabilnosti, visoke specifične trdnosti in togosti se kompozitni materiali lahko uporabljajo za izdelavo kril in sprednjih teles letal, satelitskih anten in njihovih nosilnih konstrukcij, kril in lupin sončnih celic, velikih lupin lansiralnih vozil, lupin motorjev, konstrukcijskih komponent vesoljskih plovil itd.

② Avtomobilska industrija. Zaradi posebnih značilnosti dušenja vibracij kompozitnih materialov lahko zmanjšajo vibracije in hrup, imajo dobro odpornost proti utrujenosti, jih je enostavno popraviti po poškodbah in jih enostavno oblikovati kot celoto, zato jih lahko uporabljamo za izdelavo avtomobilskih karoserij, nosilnih komponent, menjalnih gredi, nosilcev motorja in njihovih notranjih komponent.

① Na področju kemične, tekstilne in strojne proizvodnje. Material, sestavljen iz ogljikovih vlaken in smolne matrice z dobro korozijsko odpornostjo, ki se lahko uporablja za izdelavo kemične opreme, tekstilnih strojev, papirnih strojev, kopirnih strojev, visokohitrostnih strojev, preciznih instrumentov itd.

① Medicinsko področje. Kombinirani materiali iz ogljikovih vlaken imajo odlične mehanske lastnosti in ne absorpcijo rentgenskih žarkov, in se lahko uporabljajo za izdelavo medicinskih rentgenskih strojev in ortopedskih stentov. Kombinirani materiali iz ogljikovih vlaken imajo tudi biokompatibilnost in združljivost s krvjo, dobro stabilnost v bioloških okoljih in se uporabljajo tudi kot biomedicinski materiali. Poleg tega se kompozitni materiali uporabljajo tudi za proizvodnjo športne opreme in kot gradbeni materiali.

4. kompozitni material, modificiran s cirkonijevim fosfatom

V zadnjih letih so polimerni/anorganski nanokompoziti pritegnili široko pozornost zaradi svojih odličnih lastnosti v različnih vidikih, številne študije so pokazale, da je mehanske in toplotne lastnosti kompozitnih materialov mogoče bistveno izboljšati z majhno vsebnostjo nano anorganskih polnil. Trenutno je bilo veliko študij o nanokompozitih anorganskih plastnih materialov, kot sta montmorilonit in atapulgit s polimeri, vendar je razmeroma malo raziskav o nanokompozitih polimerja/cirkonijevega fosfata.

α - ZrP laminat ima stabilno strukturo in lahko vzdržuje relativno stabilen laminat tudi po vnosu gosta v vmesni sloj, ima tudi veliko zmogljivost ionske izmenjave in ima nadzorovano razmerje višine in ozko porazdelitev velikosti delcev, zaradi česar je primeren za pripravo polimernih/plastnih anorganskih nanokompozitov. Za povečanje razmika med sloji cirkonijevega fosfata, spodbujanje njegove delaminacije v polimerni matriki in povečanje združljivosti med plastmi cirkonijevega fosfata in polimerno matrico je potrebna organska modifikacija a-ZrP. α - ZrP se običajno modificira z majhnimi molekulskimi amini ali alkoholi skozi - OH protonacijske reakcije ali vodikovo vezavo znotraj in zunaj njihovih plasti, in se lahko tudi medkalira z velikimi molekulami, vendar je zaradi majhnega razmika med sloji težko neposredno medkalirati velike molekule in običajno potrebuje majhno molekulsko predhodno podporo pred izmenjavo z velikimi molekulami.

Dolgo verižne kvaternarne amonijeve soli (DMA-CMS) so sintetizirali z oktadecildimetilaminom (DMA) in p-klorometilstiren (CMS). α-ZrP so predhodno podprli z metilaminom in nato zamenjali z DMA-CMS, da bi pridobili organsko modificirani cirkonijev fosfat (ZrP. DMA. CMS). Organsko obdelani cirkonijev fosfat so nato talili s PS za pripravo PS/organsko modificiranih nanokompozitov cirkonijevega fosfata in proučili njihovo strukturo in lastnosti.

Analiza XRD kaže, da je dolgo verižno kvaternarno amonijevo sol DMA-CMS relativno enostavno vstaviti med plasti α - ZrP po predhodni podpori metilamina. Po medplastni razdalji cirkonijevega fosfata se poveča z 0,8 nm na 4,0 nm, medplastni učinek pa je pomemben. Nanokompozitni material, pripravljen z dvojnim vijakom ekstrudiranja ZrP DMA-CMS modificiranega cirkonijevega fosfata (ZrP DMA-CMS) in PS, dodatno razširi razmik med sloji od 4,0 nm na 4,3 nm v primerjavi z ZrP DMA-CMS, pri čemer nekaj polistirena vstopi v vmesni sloj cirkonijevega fosfata.

Mehanska analiza kaže, da se, ko je vsebnost cirkonijevega fosfata 1%, natezna trdnost, elastični modul, raztezek pri lomu in udarna trdnost nanokompozitov PS / organsko modificiranih cirkonijevega fosfata povečajo za 4%, 21%, 8% oziroma 43%. Toda s povečanjem vsebnosti cirkonijevega fosfata natezna trdnost, elastični modul, raztezek pri lomu in udarna trdnost nanokompozitov kažejo trend padanja, trdnost, togost in žilavost materiala pa se začnejo zmanjšati. Dodajanje ustrezne količine organskega modificiranega cirkonijevega fosfata ZrP DMA-CMS ima določen krepitveni in utrjevalni učinek na PS.