1, Định nghĩa

Vật liệu composite là vật liệu mới mà mọi người sử dụng công nghệ chuẩn bị vật liệu tiên tiến để tối ưu hóa sự kết hợp của các thành phần vật liệu có tính chất khác nhau. Vật liệu composite được xác định chung cần đáp ứng các điều kiện sau:

(i) Vật liệu tổng hợp phải là vật liệu nhân tạo và là vật liệu được thiết kế và sản xuất theo nhu cầu của con người;

(ii) Vật liệu tổng hợp phải bao gồm hai hoặc nhiều thành phần vật liệu có tính chất hóa học và vật lý khác nhau, được kết hợp theo hình thức, tỷ lệ và phân phối được thiết kế, có giao diện rõ ràng giữa các thành phần;

(iii) Nó có khả năng thiết kế cấu trúc và có thể được thiết kế kết cấu composite;

(iv) Vật liệu composite không chỉ duy trì lợi thế về tính chất của các thành phần vật liệu, mà còn có thể đạt được các tính chất toàn diện không thể đạt được bằng cách bổ sung và liên kết các tính chất của các thành phần.

Vật liệu ma trận của vật liệu composite được chia thành hai loại lớn là kim loại và phi kim loại. Ma trận kim loại thường được sử dụng là nhôm, magiê, đồng, titan và hợp kim của chúng. Ma trận phi kim loại chủ yếu là nhựa tổng hợp, cao su, gốm sứ, than chì, carbon, v.v. Vật liệu gia cố chủ yếu là sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi boron, sợi aramid, sợi silicon carbide, sợi amiăng, râu, kim loại.

2, Phân loại

Composite là một hỗn hợp. Nó đã đóng một vai trò lớn trong nhiều lĩnh vực, thay thế nhiều vật liệu truyền thống. Vật liệu composite được chia thành vật liệu composite kim loại và kim loại, vật liệu composite phi kim loại và kim loại, vật liệu composite phi kim loại và phi kim loại theo thành phần của nó. Theo đặc điểm cấu trúc của nó lại chia làm:

① Vật liệu composite gia cố sợi. Kết hợp các chất tăng cường sợi khác nhau trong vật liệu ma trận. Chẳng hạn như sợi gia cố nhựa, sợi gia cố kim loại, vv

b) Vật liệu tổng hợp hai lớp. Nó được làm bằng sự kết hợp của vật liệu bề mặt và vật liệu cốt lõi có tính chất khác nhau. Thông thường độ bền bề mặt cao và mỏng; Vật liệu lõi nhẹ và độ bền thấp, nhưng có độ cứng và độ dày nhất định. Chia làm hai loại là bánh sandwich rắn và bánh sandwich tổ ong.

Vật liệu tổng hợp hạt nhỏ. Phân phối đồng đều các hạt mịn cứng trong ma trận, chẳng hạn như hợp kim tăng cường phân tán, gốm kim loại, v.v.

Vật liệu tổng hợp hỗn hợp. Nó bao gồm hai hoặc nhiều vật liệu pha tăng cường pha trộn với một vật liệu pha ma trận. Sức mạnh tác động, độ bền mỏi và độ bền gãy của nó được cải thiện đáng kể so với vật liệu composite pha đơn gia cố thông thường và có đặc tính giãn nở nhiệt đặc biệt. Nó được chia thành Interlayer Mixer, Interlayer Mixer, Sandwich Mixer, Interlayer/Interlayer Mixer và Super Mixer Composite.

Vật liệu composite chủ yếu có thể được chia thành hai loại vật liệu composite cấu trúc và vật liệu composite chức năng.

Vật liệu tổng hợp cấu trúc là vật liệu được sử dụng như một cấu trúc chịu lực, về cơ bản bao gồm các thành phần cơ thể tăng cường có thể chịu tải và các thành phần cơ thể tăng cường có thể kết nối trở thành vật liệu tổng thể đồng thời đóng vai trò của lực truyền. Tăng cường bao gồm tất cả các loại thủy tinh, gốm sứ, carbon, polymer cao, kim loại cũng như sợi tự nhiên, vải, râu, tấm và hạt, v.v., ma trận có polymer cao (nhựa), kim loại, gốm sứ, thủy tinh, carbon và xi măng, v.v. Từ các chất tăng cường khác nhau và các ma trận khác nhau có thể tạo thành một loạt các vật liệu composite cấu trúc nổi tiếng và được đặt tên theo ma trận được sử dụng, chẳng hạn như vật liệu composite dựa trên polymer cao (nhựa), v.v. Vật liệu composite cấu trúc được đặc trưng bởi thiết kế lựa chọn vật liệu nhóm có thể được thực hiện theo yêu cầu của vật liệu chịu lực trong việc sử dụng, và quan trọng hơn là thiết kế cấu trúc composite cũng có thể được thực hiện, đó là thiết kế sắp xếp cơ thể tăng cường, có thể đáp ứng nhu cầu hợp lý và tiết kiệm vật liệu.

Vật liệu tổng hợp chức năng thường bao gồm các thành phần cơ thể chức năng và các thành phần ma trận, ma trận không chỉ đóng vai trò tạo nên toàn bộ, mà còn có thể tạo ra tác dụng hiệp đồng hoặc tăng cường chức năng. Vật liệu tổng hợp chức năng là vật liệu tổng hợp cung cấp các tính chất vật lý khác ngoài các tính chất cơ học. Chẳng hạn như: dẫn điện, siêu dẫn, bán dẫn, từ tính, áp điện, giảm xóc, hấp thụ sóng, xuyên qua sóng, chà xát, che chắn, chống cháy, chống nhiệt, hấp thụ âm thanh, cách nhiệt và các chức năng khác làm nổi bật một chức năng nhất định. Được gọi chung là vật liệu composite chức năng. Vật liệu tổng hợp chức năng chủ yếu bao gồm cơ thể chức năng và cơ thể tăng cường và cơ thể ma trận. Cơ thể chức năng có thể bao gồm một hoặc nhiều vật liệu chức năng. Vật liệu composite của cơ thể đa chức năng có thể có nhiều chức năng. Đồng thời, còn có thể do hiệu ứng tổng hợp mà sinh ra chức năng mới. Vật liệu composite đa chức năng là hướng phát triển của vật liệu composite chức năng.

Vật liệu composite cũng có thể được chia thành hai loại phổ biến và tiên tiến.

Các vật liệu tổng hợp thường được sử dụng như thép thủy tinh, được cấu thành bằng sợi thủy tinh và các chất tăng cường hiệu suất thấp khác với polymer thông thường (nhựa). Do giá cả thấp, nó có thể phát triển rất nhiều, và nó đã được sử dụng rộng rãi trong tàu, phương tiện, đường ống hóa chất và bể chứa, cấu trúc xây dựng, hàng thể thao, v.v.

Vật liệu composite tiên tiến đề cập đến vật liệu composite được tạo thành từ các chất tăng cường hiệu suất cao như sợi carbon, aramid bằng polymer chịu nhiệt hiệu suất cao, sau đó bao gồm cơ sở kim loại, cơ sở gốm sứ và cơ sở carbon (than chì) và vật liệu composite chức năng. Mặc dù chúng có hiệu suất tuyệt vời, nhưng chúng có giá tương đối cao, chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp quốc phòng, hàng không vũ trụ, máy móc chính xác, phương tiện lặn sâu, bộ phận kết cấu robot và hàng thể thao cao cấp, v.v.

3, Ứng dụng

Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu composite là:

a) Lĩnh vực hàng không vũ trụ. Do sự ổn định nhiệt tốt của vật liệu composite, độ bền cụ thể và độ cứng cụ thể, nó có thể được sử dụng để sản xuất cánh và thân máy bay phía trước, ăng ten vệ tinh và cấu trúc hỗ trợ của nó, cánh và vỏ pin mặt trời, vỏ của phương tiện phóng lớn, vỏ động cơ, các bộ phận cấu trúc tàu con thoi, v.v.

b) Công nghiệp ô tô. Bởi vì vật liệu composite có đặc tính giảm xóc rung đặc biệt, nó có thể giảm rung và giảm tiếng ồn, chống mệt mỏi tốt, dễ sửa chữa sau khi bị hư hại và tạo điều kiện cho việc hình thành tổng thể. Vì vậy, nó có thể được sử dụng để sản xuất thân xe, bộ phận chịu lực, trục truyền động, khung động cơ và các thành phần bên trong của nó.

③ Lĩnh vực hóa chất, dệt may và sản xuất máy móc. Vật liệu được làm từ sợi carbon có khả năng chống ăn mòn tốt và ma trận nhựa, có thể được sử dụng để sản xuất thiết bị hóa học, máy dệt, máy làm giấy, máy photocopy, máy công cụ tốc độ cao, dụng cụ chính xác, v.v.

Lĩnh vực y học. Vật liệu composite sợi carbon có đặc tính cơ học tuyệt vời và không hấp thụ tia X, có thể được sử dụng để sản xuất máy X quang y tế và hỗ trợ chỉnh hình, v.v. Vật liệu composite sợi carbon cũng có khả năng tương thích mô sinh học và máu, ổn định tốt trong môi trường sinh học và cũng được sử dụng làm vật liệu y sinh. Ngoài ra, vật liệu composite cũng được sử dụng để sản xuất các thiết bị thể thao và làm vật liệu xây dựng, v.v.

4. Vật liệu composite biến đổi Zirconium Phosphate

Trong những năm gần đây, vật liệu composite nano polymer/vô cơ đã thu hút sự chú ý rộng rãi do tính chất tuyệt vời của nó trong nhiều khía cạnh, một số lượng lớn các nghiên cứu cho thấy rằng trong trường hợp hàm lượng chất độn vô cơ nano rất nhỏ, tính chất cơ học, tính chất nhiệt của vật liệu composite có thể được cải thiện đáng kể. Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu về vật liệu nano composite của các lớp vô cơ và polymer như monton dexit, đất lồi, v.v., nhưng tương đối ít nghiên cứu về vật liệu nano composite polymer/zirconium phosphate.

Cấu trúc lớp alpha-ZrP ổn định, vẫn có thể duy trì các lớp ổn định hơn sau khi giới thiệu đối tượng giữa các lớp, và khả năng trao đổi ion của nó là lớn, và có thể kiểm soát tỷ lệ đường kính dài và phân bố kích thước hạt hẹp, vv, có thể được áp dụng để chuẩn bị polymer/lớp vô cơ nanocomposite. Để tăng khoảng cách giữa các lớp zirconium phosphate và thúc đẩy sự lột của nó trong ma trận polymer, đồng thời tăng khả năng tương thích của lớp zirconium phosphate với ma trận polymer, cần sửa đổi hữu cơ A-ZrP. Alpha-ZrP thường được sửa đổi hữu cơ bằng cách sử dụng amin hoặc rượu của các phân tử nhỏ thông qua phản ứng proton hóa -OH hoặc liên kết hydro bên trong và bên ngoài tấm của nó, cũng có thể thực hiện chèn phân tử lớn, nhưng do khoảng cách giữa các tấm của nó nhỏ hơn, chèn trực tiếp các phân tử lớn khó khăn hơn, thường cần phải được hỗ trợ trước bởi các phân tử nhỏ trước khi trao đổi với các phân tử lớn.

Muối amoni bậc bốn chuỗi dài (DMA-CMS) được tổng hợp bằng cách sử dụng octadecyl dimethyl amin bậc ba (DMA) và styrene parachloromethylated (CMS), α-ZrP được hỗ trợ bởi methylamine trước khi trao đổi với DMA-CMS để có được zirconium phosphate biến đổi hữu cơ (ZrP.DMA.CMS). Zirconium Phosphate được xử lý hữu cơ này sau đó được trộn với PS Fusion để tạo ra hỗn hợp nano zirconium Phosphate PS/Organic Modified, và cấu trúc và tính chất của nó đã được nghiên cứu.

Phân tích XRD cho thấy DMA-CMS chuỗi dài của muối amin bậc bốn sau khi methylamine pre-boost, dễ dàng chèn vào giữa các lớp của α-ZrP, sau khi chèn, khoảng cách giữa các lớp zirconium phosphate được mở rộng từ 0,8 nm đến 4,0 nm, hiệu quả chèn là rõ ràng. Zirconium Phosphate (ZrP-DMA-CMS) được sửa đổi DMA-CMS và vật liệu composite nano được chuẩn bị bởi PS thông qua đùn trục vít đôi, so với ZrP-DMA-CMS, khoảng cách giữa các lớp được mở rộng thêm từ 4,0 nm đến 4,3 nm và một phần polystyrene đi vào giữa các lớp của zirconium Phosphate.

Phân tích cơ học cho thấy, hàm lượng zirconium phosphate là 1%, PS/sửa đổi hữu cơ zirconium phosphate nanocomposite của độ bền kéo, mô đun đàn hồi, độ giãn dài gãy và cường độ va đập tăng lần lượt 4%, 21%, 8%, 43%. Nhưng với sự gia tăng hàm lượng zirconium phosphate, độ bền kéo của vật liệu composite nano, mô đun đàn hồi, độ giãn dài gãy và cường độ va đập sẽ có xu hướng giảm, sức mạnh, độ cứng và độ dẻo dai của vật liệu bắt đầu giảm. Việc bổ sung một lượng vừa phải zirconium phosphate biến đổi hữu cơ ZrP-DMA-CMS có tác dụng tăng cường độ bền cho PS.