Hợp kim và Vật liệu composite polyme

Việc pha trộn polyme hoặc gia cường chúng bằng sợi và chất độn kết hợp những ưu điểm của các vật liệu khác nhau, tạo ra các hệ đa pha mà giao diện và hình thái của chúng quyết định sự cân bằng cuối cùng về độ cứng, độ bền và các tính chất khác.

Definition

Hợp kim polyme là hỗn hợp vật lý của hai hoặc nhiều polyme, và vật liệu composite polyme là vật liệu trong đó một ma trận polyme được gia cường bằng sợi hoặc hạt; cả hai đều là hệ đa pha có tính chất phụ thuộc vào thành phần, hình thái pha và độ bám dính giao diện.

Scope

Chủ đề này bao gồm các kết hợp vật lý của polyme và vật liệu gia cường: hỗn hợp đồng tan so với không đồng tan và sự hiếm có của tính đồng tan, hình thái pha và khả năng tương hợp hóa, sự làm bền các polyme giòn bằng cao su phân tán, và vật liệu composite gia cường bằng sợi và hạt bao gồm vai trò của giao diện và ước tính độ cứng theo quy tắc hỗn hợp.

Core questions

• Tại sao hầu hết các cặp polyme không hòa tan, và hình thái nào là kết quả?
• Chất tương hợp hóa cải thiện tính chất của hỗn hợp như thế nào?
• Cao su phân tán làm bền nhựa giòn như thế nào?
• Hình dạng vật liệu gia cường và giao diện kiểm soát độ cứng và độ bền của vật liệu composite như thế nào?

Key theories

Hành vi pha và tương hợp hóa của hỗn hợp

Vì việc trộn các chuỗi dài thu được ít entropy, hầu hết các hỗn hợp tách pha; kích thước và độ bám dính của pha phân tán kiểm soát các tính chất, và các chất tương hợp hóa khối hoặc ghép làm giảm sức căng bề mặt và ổn định một hình thái mịn, liên kết tốt.

Gia cường và truyền tải trọng trong vật liệu composite

Các sợi hoặc hạt cứng chịu tải trọng được truyền qua giao diện ma trận-vật liệu gia cường, do đó độ cứng của vật liệu composite tăng theo hàm lượng và định hướng của vật liệu gia cường trong khi độ bền và độ bền phụ thuộc đáng kể vào độ bám dính giao diện và chiều dài sợi.

Mechanisms

Khi hai polyme được trộn chảy, entropy trộn nhỏ thường khiến chúng không hòa tan, vì vậy một polyme phân tán thành các miền trong polyme kia; kích thước miền và độ bám dính giao diện, có thể điều chỉnh bằng chất tương hợp hóa, quyết định liệu hỗn hợp là giòn hay bền. Các hạt cao su phân tán làm bền một ma trận thủy tinh bằng cách khởi tạo và kiểm soát nhiều vết nứt nhỏ hoặc dải trượt hấp thụ năng lượng. Trong vật liệu composite, tải trọng tác dụng được truyền từ ma trận mềm dẻo đến các sợi hoặc hạt cứng qua giao diện của chúng, do đó mô đun, tỷ lệ thể tích, tỷ lệ khung hình và định hướng của vật liệu gia cường, cùng với liên kết giao diện, thiết lập độ cứng và độ bền tổng thể.

Clinical relevance

Hợp kim và vật liệu composite chiếm ưu thế trong các ứng dụng kỹ thuật vì chúng đạt được các tổ hợp tính chất mà không một polyme đơn lẻ nào có thể mang lại: nhựa được làm bền bằng cao su như polystyrene tác động cao và ABS cung cấp khả năng chống va đập, hợp kim polyme điều chỉnh chi phí và hiệu suất, và vật liệu composite gia cường bằng sợi mang lại vật liệu nhẹ, cứng, bền cho hàng không vũ trụ, ô tô, đồ thể thao và xây dựng.

History

Nhựa được làm bền bằng cao su xuất hiện vào giữa thế kỷ XX với polystyrene tác động cao và ABS, hợp kim polyme và mạng lưới xuyên thấm được hệ thống hóa từ những năm 1970, và vật liệu composite gia cường bằng sợi hiệu suất cao dựa trên sợi thủy tinh, carbon và aramid phát triển nhanh chóng trong cùng thời kỳ để đáp ứng nhu cầu về vật liệu kết cấu nhẹ.

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

Tại sao hầu hết các hợp kim polyme không hòa tan?

Việc trộn các chuỗi dài thu được rất ít entropy, vì vậy ngay cả những tương tác không thuận lợi nhỏ cũng gây ra sự tách pha. Do đó, hầu hết các hỗn hợp bao gồm một polyme phân tán thành các miền trong một polyme khác thay vì tạo thành một dung dịch đồng nhất.

Việc thêm cao su làm cho nhựa bền hơn như thế nào?

Các hạt cao su phân tán hoạt động như các điểm tập trung ứng suất kích hoạt nhiều vết nứt nhỏ, hấp thụ năng lượng hoặc dải trượt thay vì một vết nứt thảm khốc duy nhất. Điều này làm lan truyền biến dạng và tăng đáng kể khả năng chống va đập.