有机、无机复合材料

有机无机复合材料有机无机复合材料 一 有机 无机复合材料的定义一 有机 无机复合材料的定义 复合材料是指结合两种或两种以上不同有机 无机相的物质以物理方式结 合而成 撷取各组成成分的优点 以构成需要之结构材 往往以一种材料为基 体 另一种材料为增强体组合而成的材料 各种材料在性能上互相取长补短 产生协同效应 使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求 高聚物基复合材料 PMCS最先得到发展 已有半个多世纪的历史 在工业 民 用 航天航空 生态 智能等领域取得了广泛的应用 1 有机 无机复合材料即用有机材料与无机材料通过某种方式结合而成的全 新材料 复合后的新材料具有有机 无机材料的各自优点 并且可以在力学 光学 热学 电磁学和生物学等方面赋予材料许多优异的性能 正在成为材料 科学研究的热点之一 目前 国内外这方面的研究成果正不断见诸报道 2 3 二 有机 无机复合材料的特点二 有机 无机复合材料的特点 复合材料中以纤维增强材料应用最广 用量最大 其特点是比重小 比强 度和比模量大 例如碳纤维与环氧树脂复合的材料 其比强度和比模量均比钢 和铝合金大数倍 还具有优良的化学稳定性 减摩耐磨 自润滑 耐热 耐疲 劳 耐蠕变 消声 电绝缘等性能 石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎 等于零的材料 纤维增强材料的另一个特点是各向异性 因此可按制件不同部 位的强度要求设计纤维的排列 以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料 在 500 时仍能保持足够的强度和模量 碳化硅纤维与钛复合 不但钛的耐热 性提高 且耐磨损 可用作发动机风扇叶片 碳化硅纤维与陶瓷复合 使用温 度可达 1500 比超合金涡轮叶片的使用温度 1100 高得多 碳纤维增 强碳 石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨 构成耐烧蚀材料 已用于航天器 火箭导弹和原子能反应堆中 非金属基复合材料由于密度小 用于汽车和飞机 可减轻重量 提高速度 节约能源 用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料 片弹簧 其刚度和承载能力与重量大 5 倍多的钢片弹簧相当 三 有机 无机复合材料的应用三 有机 无机复合材料的应用 1 有机一无机纳米复合材料有机一无机纳米复合材料 纳米复合材料是一类新垫复合材料 它是指一种或多种组分以纳米量级的 微粒 即接近分子水平的 微粒复合于基质中构成一种复合材料 纳米复合材料 因其分散相尺寸介于宏观与微观之间的过渡区域 将给材料的物理和化学性质 带来特殊的变化 正日益受到关注 纳米材料被誉为 21 世纪最有前途的材料 该类材料研究的种类已经涉及到无机物 有机物和非晶态材料等 有机一无机纳米复合材料因其综合了有机物和无机物各自的优点 并且可 以在力学 热学 光学 电 磁学和生物学等方面赋予材料许多优异的性能 正 在成为材料科学研究的热点之一 有机一无机纳米复合技术有机一无机纳米复合技术 最先制得的纳米复合材料是无机纳米复合材料 如金属 非金属 陶瓷和石 英玻璃等 目前 纳米复 合材料研究的种类已涉及到有机物和非晶态材料 等 各国首先着重于纳米复合材料制备方法的研究 特 别是薄膜制备法的研 究 纳米复合方法常用的有三种 溶胶一凝胶法 嵌入法和纳米微粒填充 法 其中溶 胶一凝胶法较早用于制备有机一无机分子杂化材料或纳米复合材料 嵌入法在分子材料领域表现出很好 的前景 特别是将不同的性能综合到单一的 材料中去 溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法 Sol Gel Process 在 l8 世纪中期 Ebelman 和 GrahmanC 在对二氧化硅凝胶的研究中 产生了 用溶胶一凝胶工艺制备无机陶瓷和玻璃的兴趣 溶胶一凝胶产品最早出现在 50 年代 除了粉末材料外 多孔固体 纤维 涂层和 薄膜也相继被制备 溶胶 一凝胶工艺的基本过程是液体金属烷氧化物 M OR M 为 si T 等元素 R 为 cH CIHs 等烷 基 与醇和水混合 在催化剂作用下发生如下水解一缩合反应 水解反应 TEOS 4H2O Si OH 4 4EtOH 缩合反应 Si OH 4 Si OH 4J HO 3Si O Si OH 3 H2O 当另外的 Si OH 四配位体互相链接 则发生如下缩聚反应 并最终形成三维 的 siO 凝胶网络 OH 3 Si O Si OH 3 6Si OH 4 HO 3Si O 3Si O Si O Si OH 3 3 6H2O 凝胶的结构取决于水解反应速率和缩合反应速率 影响速率的因素包括 温 度 溶剂的性质 烷氧化物先驱体的性质 电解质 酸 碱 的性质和浓度 R 比值 H 2O TEOS 和压力等 近年来 利用金属烷氧化物的溶胶一凝胶反应与聚合反应巧妙的组合 制备 有机一无机纳米复合材料 已成为材料科学新的热点 通过选择不同的原料和控 制合成反应 可以制备出具有不同性能和满足广泛需要的有机一无机纳米复合 材料 4 溶胶一凝胶法已被越来越广泛地应用到电子陶瓷 光学 热学 化学 生物学以及复合材料等钡域 嵌入法嵌入法 Intercalation Process 嵌入法是将客体嵌人到层状结构的主体中去的复合方法 它包括 1 将有 机单体分散到无机介质 中 然后引发单体进行原位聚合反应 有机高分子嵌入 无机片层结构中 如尼龙 6 粘土纳米复合材料 5 2 将高聚物直接嵌人到片层 结构的无机主体中去 如果主体结构可以制备成胶体溶液 如层状 主体剥离后 产生单片胶体 则剥离 吸收工艺被证明可以在室温下成功地制备台有大量层 状固体与可溶 性高聚物的纳米复合材料 6 在制备多性能材料领域 嵌入法 提供了一种可替代 Sol Gel 的方法 尤其 在某些特殊场合可以获得更好的结 晶性 在要求协同作用时 这是一个至关重要的因素 纳米微粒填充法纳米微粒填充法 Nanolmrtitle Filling 该方法可分两种 一种是将纳米量级的颗粒如 SiO2 等制成胶体溶液 然 后与高聚物溶液混合均匀 蒸发掉溶剂即成纳米复合材料 如无机颗粒嵌入到 高聚物基体中 或有机组分嵌入到无机基体中 另一种是无机小粒子分散到有 机单体中 然后引发单体聚合 无机颗粒包裹在有机基体中 2 纤纤维维增增强强复复合合塑塑料料 FRP FRP Fiber Reinforced Plastics 纤维增强复合塑料 根据采用的纤 维不同分为玻璃纤维增强复合塑料 GFRP 碳纤维增强复合塑料 CFRP 硼纤维增强复合塑料等 纤维增强复合材料是由增强纤维和基体组成 纤维 或晶须 的直径很 小 一般在 10 m 以下 缺陷较少又较小 断裂应变约为千分之三十以内 是脆性材料 易损伤 断裂和受到腐蚀 基体相对于纤维来说 强度 模量 都要低很多 但可以经受住大的应变 往往具有粘弹性和弹塑性 是韧性材 料 根据纤维的长短 FRP 可分为短纤维增强复合塑料和长纤维 或称连续 纤维 增强复合材料塑料 根据纤维性能可以分为高性能纤维复合材料和工 程复合材料 纤纤维维增增强强复复合合塑塑料料特特性性 1 1 轻轻质质高高强强 相对密度在 1 5 2 0 之间 只有碳钢的 1 4 1 5 可是拉伸强度却接近 甚至超过碳素钢 而比强度可以与高级合金钢相比 因此 在航空 火箭 宇宙飞行器 高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中 都具有卓越 成效 某些环氧 FRP 的拉伸 弯曲和压缩强度均能达到400Mpa 以上 2 2 耐耐腐腐蚀蚀性性能能好好 FRP 是良好的耐腐材料 对大气 水和一般浓度的酸 碱 盐以及多种 油类和溶剂都有较好的抵抗能力 已应用到化工防腐的各个方面 正在取代 碳钢 不锈钢 木材 有色金属等 3 3 电电性性能能好好 是优良的绝缘材料 用来制造绝缘体 高频下仍能保护良好介电性 微 波透过性良好 已广泛用于雷达天线罩 4 4 热热性性能能良良好好 FRP 热导率低 室温下为 1 25 1 67kJ m h K 只有金属的 1 100 1 1000 是优良的绝热材料 在瞬时超高温情况下 是理想的热防护 和耐烧蚀材料 能保护宇宙飞行器在2000 以上承受高速气流的冲刷 5 5 可可设设计计性性好好 可以根据需要 灵活地设计出各种结构产品 来满足使用要求 可以 使产品有很好的整体性 可以充分选择材料来满足产品的性能 如 可以设计出耐腐的 耐瞬 时高温的 产品某方向上有特别高强度的 介电性好的 等等 6 6 工工艺艺性性优优良良 可以根据产品的形状 技术要求 用途及数量来灵活地选择成型工艺 工艺简单 可以一次成型 经济效果突出 尤其对形状复杂 不 易成型的数量少的产品 更突出它的工艺优越性 四 总结四 总结 材料是科学技术发展的基础 复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料 对科学 技术的发展产生了极大的推动作用 对航空航天事业的影响尤为显著 复合材料的发展近 几十年来极为迅速 从最早出现的宏观复合材料 如水泥与砂石 钢筋复合而成的混凝土 到随后发展起来的微观复合材料 聚合物基 金属基和无机非金属材料基复合材料 各种 新型复合材料及其制备技术犹如雨后春笋般出现 同时 随着科学技术的发展 特别是尖 端科学技术的突飞猛进 对材料的性能要求越来越高 因而对复合材料也提出了更高的要 求 有机一无机复合材料作为一种新型材料 在力学 光学 电学 磁学 热学 航天宇 航和生物仿生等领域表现出广泛的应用前景 需要人们对其结构与性能的关系作更深入的 研究和了解 参考文献 1 Ogasa T Takahashi J Kemmochi K Polymer based composite materials in general industries Adv Composite Mater 199 5 4 221 235 2 陈 艳 王新宇 高宗明 等 聚酰亚胺 sio 纳米复合材料的研究 高分子学报 1997 1 73 79 3 Kazuhisa Y Arimitsu U Akane O Synthesis and properties of polyimide clay hybrid films J Polym