有機、無機復(fù)合材料

1、有機無機復(fù)合材料一、有機、無機復(fù)合材料的定義復(fù)合材料是指結(jié)合兩種或兩種以上不同有機、 無機相的物質(zhì)以物理方式結(jié)合 而成，擷取各組成成分的優(yōu)點，以構(gòu)成需要之結(jié)構(gòu)材。往往以一種材料為基體， 另一種材料為增強體組合而成的材料。 各種材料在性能上互相取長補短， 產(chǎn)生協(xié) 同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。 高聚物 基復(fù)合材料 PMCS 最先得到開展，已有半個多世紀的歷史，在工業(yè)、 民用、航天 航空、生態(tài)、智能等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用 1。有機、無機復(fù)合材料即用有機材料與無機材料通過某種方式結(jié)合而成的全新 材料。復(fù)合后的新材料具有有機、 無機材料的各自優(yōu)點， 并且可以在力學、

2、光學、 熱學、電磁學和生物學等方面賦予材料許多優(yōu)異的性能， 正在成為材料科學研究 的熱點之一。目前，國內(nèi)外這方面的研究成果正不斷見諸報道2,3。二、有機、無機復(fù)合材料的特點復(fù)合材料中以纖維增強材料應(yīng)用最廣、 用量最大。 其特點是比重小、 比強度 和比模量大。 例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料， 其比強度和比模量均比鋼和鋁 合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐 蠕變、消聲、 電絕緣等性能。 石墨纖維與樹脂復(fù)合可得到膨脹系數(shù)幾乎等于零的 材料。纖維增強材料的另一個特點是各向異性， 因此可按制件不同部位的強度要 求設(shè)計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復(fù)合材料

3、， 在500 C時仍 能保持足夠的強度和模量。 碳化硅纖維與鈦復(fù)合， 不但鈦的耐熱性提高， 且耐磨 損，可用作發(fā)動機風扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復(fù)合，使用溫度可達1500 C,比超合金渦輪葉片的使用溫度1100 C高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增 強碳或石墨纖維增強石墨， 構(gòu)成耐燒蝕材料， 已用于航天器、 火箭導彈和原子能 反響堆中。 非金屬基復(fù)合材料由于密度小， 用于汽車和飛機可減輕重量、 提高速 度、節(jié)約能源。 用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧， 其剛度和承載 能力與重量大 5 倍多的鋼片彈簧相當 。三、有機、無機復(fù)合材料的應(yīng)用1 有機一無機納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料是一類新墊復(fù)合材

4、料， 它是指一種或多種組分以納米量級的微 粒，即接近分子水平的 微粒復(fù)合于基質(zhì)中構(gòu)成一種復(fù)合材料納米復(fù)合材料因 其分散相尺寸介于宏觀與微觀之間的過渡區(qū)域， 將給材料的物理和化學性質(zhì)帶來 特殊的變化，正日益受到關(guān)注納米材料被譽為 21 世紀最有前途的材料，該 類材料研究的種類已經(jīng)涉及到無機物、有機物和非晶態(tài)材料等有機一無機納米復(fù)合材料因其綜合了有機物和無機物各自的優(yōu)點， 并且可以 在力學、熱學、光學、電 磁學和生物學等方面賦予材料許多優(yōu)異的性能，正在 成為材料科學研究的熱點之一<1> 有機一無機納米復(fù)合技術(shù)最先制得的納米復(fù)合材料是無機納米復(fù)合材料， 如金屬、 非金屬陶瓷和石英 玻璃等

5、目前，納米復(fù) 合材料研究的種類已涉及到有機物和非晶態(tài)材料等各國首先著重于納米復(fù)合材料制備方法的研究，特 別是薄膜制備法的研究納米 復(fù)合方法常用的有三種：溶膠一凝膠法、嵌入法和納米微粒填充法其中溶 膠 一凝膠法較早用于制備有機一無機分子雜化材料或納米復(fù)合材料； 嵌入法在分子 材料領(lǐng)域表現(xiàn)出很好 的前景，特別是將不同的性能綜合到單一的材料中去<1.1>溶膠一凝膠法 (Sol Gel Process)在 l8 世紀中期 ,Ebelman 和 GrahmanC 在對二氧化硅凝膠的研究中，產(chǎn)生了 用溶膠一凝膠工藝制備無機陶瓷和玻璃的興趣溶膠一凝膠產(chǎn)品最早出現(xiàn)在 50 年代，除了粉末材料外，多

6、孔固體、纖維、涂層和 薄膜也相繼被制備 溶膠一 凝膠工藝的根本過程是液體金屬烷氧化物M(OR) (M為si、T等元素，R為cH、CIHs 等烷 基)與醇和水混合，在催化劑作用下發(fā)生如下水解一縮合反響：水解反響TEOS+4H 2OSi(OH) 4+4EtOH縮合反響Si(OH)4+Si(OH) 4J(HO)3Si OSi(OH)3+H2O當另外的 -=Si-OH 四配位體互相鏈接， 那么發(fā)生如下縮聚反響， 并最終形成三維的 siO 。凝膠網(wǎng)絡(luò)(OH)3 Si-O-Si(OH) 3+6Si(OH) 4(HO)3Si-O)3Si-O-Si (O Si(OH) 3)3+6H2O凝膠的結(jié)構(gòu)取決于水解反響

7、速率和縮合反響速率。 影響速率的因素包括：溫度、 溶劑的性質(zhì)、烷氧化物先驅(qū)體的性質(zhì)、電解質(zhì)(酸、堿)的性質(zhì)和濃度、R比值(H 2OTEOS) 和壓力等近年來，利用金屬烷氧化物的溶膠一凝膠反響與聚合反響巧妙的組合，制備 有機一無機納米復(fù)合材料 已成為材料科學新的熱點通過選擇不同的原料和控 制合成反響，可以制備出具有不同性能和滿足廣泛需要的有機一無機納米復(fù)合材 料4 溶膠一凝膠法已被越來越廣泛地應(yīng)用到電子陶瓷、光學、熱學、化學、 生物學以及復(fù)合材料等鋇域<1.2> 嵌入法 (Intercalation Process) 嵌入法是將客體嵌人到層狀結(jié)構(gòu)的主體中去的復(fù)合方法，它包括： (1)

8、 將有 機單體分散到無機介質(zhì) 中，然后引發(fā)單體進行原位聚合反響，有機高分子嵌入 無機片層結(jié)構(gòu)中， 如尼龍 6粘土納米復(fù)合材料 5;(2) 將高聚物直接嵌人到片層結(jié) 構(gòu)的無機主體中去如果主體結(jié)構(gòu)可以制備成膠體溶液，如層狀 主體剝離后產(chǎn) 生單片膠體，那么剝離吸收工藝被證明可以在室溫下成功地制備臺有大量層狀固 體與可溶 性高聚物的納米復(fù)合材料 6 在制備多性能材料領(lǐng)域，嵌入法提供了 一種可替代 Sol Gel 的方法，尤其 在某些特殊場合可以獲得更好的結(jié)晶性， 在 要求協(xié)同作用時，這是一個至關(guān)重要的因素<1.3> 納米微粒填充法 (Nanolmrtitle-Filling)該方法可分兩種

9、：一種是將納米量級的顆粒如SiO2。等制成膠體溶液，然后與高聚物溶液混合均勻， 蒸發(fā)掉溶劑即成納米復(fù)合材料，如無機顆粒嵌入到高 聚物基體中， 或有機組分嵌入到無機基體中 另一種是無機小粒子分散到有機單 體 中 ， 然 后 引 發(fā) 單 體 聚 合 ， 無 機 顆 粒 包 裹 在 有 機 基 體2纖維增強復(fù)合塑料(FRP)FRP-(Fiber Reinforced Plastics )纖維增強復(fù)合塑料，根據(jù)采用的纖維不同分為玻璃纖維增強復(fù)合塑料(GFRP ,碳纖維增強復(fù)合塑料 (CFRP ,硼纖維增強復(fù)合塑料等；纖維增強復(fù)合材料是由增強纖維和基體組成。纖維(或晶須)的直徑 很小，一般在10m以下，

10、缺陷較少又較小，斷裂應(yīng)變約為千分之三十以 內(nèi)，是脆性材料，易損傷、斷裂和受到腐蝕?；w相對于纖維來說，強度、 模量都要低很多，但可以經(jīng)受住大的應(yīng)變，往往具有粘彈性和彈塑性，是 韌性材料。根據(jù)纖維的長短，F(xiàn)RP可分為短纖維增強復(fù)合塑料和長纖維(或稱連續(xù) 纖維)增強復(fù)合材料塑料。根據(jù)纖維性能可以分為高性能纖維復(fù)合材料和 工程復(fù)合材料。<2.1>纖維增強復(fù)合塑料 特性(1)輕質(zhì)高強相對密度在1.52.0之間，只有碳鋼的1/41/5，可是拉伸強度卻接近, 甚至超過碳素鋼，而比強度可以與高級合金鋼相比。因此，在航空、火箭、 宇宙飛行器、高壓容器以及在其他需要減輕自重的制品應(yīng)用中，都具有卓 越

11、成效。某些環(huán)氧 FRP的拉伸、彎曲和壓縮強度均能到達400Mpa以上。(2)耐腐蝕性能好FRP是良好的耐腐材料，對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種 油類和溶劑都有較好的抵抗能力。已應(yīng)用到化工防腐的各個方面，正在取 代碳鋼、不銹鋼、木材、有色金屬等。電性能好是優(yōu)良的絕緣材料，用來制造絕緣體。高頻下仍能保護良好介電性。 微波透過性良好，已廣泛用于雷達天線罩。熱性能良好FRP熱導率低，室溫下為1.251.67kJ/ (m- h K),只有金屬的1/1001/1000，是優(yōu)良的絕熱材料。在瞬時超高溫情況下，是理想的熱防 護和耐燒蝕材料，能保護宇宙飛行器在2000C以上承受高速氣流的沖刷。(5)可

12、設(shè)計性好可以根據(jù)需要，靈活地設(shè)計出各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，來滿足使用要求，可 以使產(chǎn)品有很好的整體性。可以充分選擇材料來滿足產(chǎn)品的性能，如：可以設(shè)計出耐腐的，耐 瞬時高溫的、產(chǎn)品某方向上有特別高強度的、介電性好的，等等。(6)工藝性優(yōu)良可以根據(jù)產(chǎn)品的形狀、技術(shù)要求、用途及數(shù)量來靈活地選擇成型工乙。工藝簡單，可以一次成型，經(jīng)濟效果突出，尤其對形狀復(fù)雜、不易成型的數(shù)量少的產(chǎn)品，更突出它的工藝優(yōu)越性四、總結(jié)材料是科學技術(shù)開展的根底，復(fù)合材料作為最新開展起來的一大類新型材料，對科學技術(shù)的開展產(chǎn)生了極大的推動作用。對航空航天事業(yè)的影響尤為顯著。復(fù)合材料的開展近幾十年來極為迅速。從最早出現(xiàn)的宏觀復(fù)合材料，如水泥與砂

13、石、鋼筋復(fù)合而成的混凝土，到隨后開展起來的微觀復(fù)合材料：聚合物基、金屬基和無機非金屬材料基復(fù)合材料。各種新型復(fù)合材料及其制備技術(shù)猶如雨后春筍般出現(xiàn)，同時，隨著科學技術(shù)的開展， 特別是尖端科學技 術(shù)的突飛猛進，對材料的性能要求越來越高，因而對復(fù)合材料也提出了更高的要求。 有機一無機復(fù)合材料作為一種新型材料，在力學、光學、電學、磁學、熱學、航天宇航 和生物仿生等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景， 需要人們對其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系作更深入的研究 和了解。參考文獻：1 Ogasa T ， Takahashi J ， Kemmochi K Polymer based composite materials in general industries . Adv Composite Mater .199.5, 4: 221 2352陳艷，王新宇，高宗明，等.聚酰亞胺/sio：納米復(fù)合材料的研究.高分子學報，1997,(1) : 73793 Kazuhisa Y,Arimitsu U,Akane OSynthesis and properties of polyimideclay hybrid films J Polym Sei A ：