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複合微球泡材

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掃描電子顯微鏡顯示的複合微球泡材由環氧樹脂基質內的玻璃微球組成。

複合微球泡材是一種複合材料，透過稱為玻璃微球[1]的空心球或非空心球（例如珍珠岩）作為填充材填入金屬、聚合物、 [2]水泥或陶瓷基材結合而成。 [3] [4]英文稱作 "Syntactic foams"，這裏「Syntactic」的意思是「放在一起」。 [5]空心顆粒對材料整體有密度降低、比強度提高（強度除以密度）、熱膨脹系數降低，並且在某些情況下還對雷達或聲納透明。

歷史

這種材料的名稱最初由Bakelite 公司於 1955 年創造，指的是他們生產的由空心酚醛微球與酚醛、環氧樹脂或聚酯基質粘合而成的輕質複合材料。 [6] [7]

這些材料是 1960 年代初開發出來的，作為海洋應用改進浮力的材料。 [8]其他特性使得這些材料能夠應用於航太和地面運輸車輛。 [9]

Nikhil Gupta最近推進了對複合微球泡材的研究。

特徵

可定製性是這類材料的最大優勢之一。 [10]基質材料可以從幾乎任何金屬、聚合物或陶瓷中選擇。微球可以是各種尺寸和材質，包括玻璃微球、空心微球、碳粒和聚合物。最廣泛使用和研究的泡沫是玻璃微球（環氧樹脂或聚合物中）和空心微珠或陶瓷[11] （鋁中）。可以改變微球的體積分數或使用不同有效密度的微球，後者取決於微球內半徑和外半徑之間的平均比率。

低密度複合微球泡材的其中一個製造方法基於浮力原理。 [12] [13]

強度

大多數情況下，複合微球泡材的壓縮性能很大程度上取決於填充顆粒材料的性能。一般來說，材料的抗壓強度與其密度成正比。據報導，水泥基複合微球泡材的抗壓強度可以大於30 MPa（4.4 ksi） ，但密度可以低達1.2 g/cm3（0.69 oz/cu in） 。 [14]

基質材料對拉伸性能的影響較大。透過對顆粒進行化學表面處理（如矽烷化），將使玻璃顆粒和環氧樹脂基質之間形成強鍵結，可以大大提高拉伸強度。添加纖維材料如碳纖維、玻璃纖維也可以增加抗拉強度。[來源請求]</link>[需要引用]

應用

海洋系泊中用作水下浮子的複合微球泡材球。

複合微球泡材的當前應用包括海洋立管張緊器的浮力模組、遙控潛水器（ROV）、自主水下載具（AUV）、深海勘探、船體以及直升機和飛機零組件。

水泥基複合微球泡材作為潛在的輕質結構複合材料，也曾有不少研究。並非金屬或聚合物基質，這種材料在水泥漿基質中加入玻璃微球，成為閉孔泡沫結構。研究人員對水泥基複合微球泡材在高應變負載條件下的機械性能進行測試，以評估其在防撞墊、防爆牆等中的能量耗散能力。在這些負載條件下，水泥基複合微球泡材的玻璃微球沒有表現出逐漸破碎的現象。最終，與聚合物和金屬複合微球泡材不同，它們並沒有成為適合能量耗散應用的材料。 [15]複合微球泡材的結構應用包括用作三明治複合板的中間層（即芯層）。

儘管與大多數傳統水泥基材料相比，水泥基複合微球泡材具有更高的比強度，但製造它們卻很有挑戰性。一般來說，空心包裹體往往會在低剪切強度和高密度的新鮮水泥漿體中浮起和析出。因此，必須嚴格控制複合材料的流變性，保持整個材料的微觀結構均勻。 [16]此外，某些類型的玻璃微球可能導致鹼矽反應。因此，必須考慮並解決該反應的不良影響，以確保這些複合材料的耐久性。 [17]

其他應用包括；

  • 深海浮力泡材。 2018 年，一種使用3D打印製造潛艇船體的方法被開發出來[18]
  • 熱成型插頭輔助裝置
  • 雷達透明材料
  • 消聲材料
  • 夾層複合材料芯材[19] [20]
  • 防爆材料
  • 保齡球、網球拍、足球等體育用品。 [21]

參考

  1. ^ Kim, Ho Sung; Plubrai, Pakorn. Manufacturing and failure mechanisms of syntactic foam under compression. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. September 2004, 35 (9): 1009–1015. doi:10.1016/j.compositesa.2004.03.013. 
  2. ^ Shutov, F.A. Syntactic polymer foams. Advances in Polymer Science. 1986, 73–74: 63–123. ISBN 978-3-540-15786-1. doi:10.1007/3-540-15786-7_7. 
  3. ^ Shastri, Dipendra; Kim, Ho Sung. A new consolidation process for expanded perlite particles. Construction and Building Materials. 16 June 2014, 60: 1–7. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.02.041. hdl:1959.13/1052767 可免費查閱. 
  4. ^ What is Syntactic Foam?. Cornerstone Research Group. [2009-08-07]. （原始內容存檔於20 July 2012）. 
  5. ^ syntactic foam. Merriam-Webster Dictionary. 
  6. ^ From the Oxford English Dictionary citation of Sci. News Let. 2 Apr. 213/3
  7. ^ Plastic Foam Developed for Boats and Planes. The Science News-Letter. 2 April 1955, 67 (14): 213. ISSN 0096-4018. JSTOR 3935329. doi:10.2307/3935329. 
  8. ^ Kudo, Kimiaki. Overseas Trends in the Development of Human Occupied Deep Submersibles and a Proposal for Japan's Way to Take (PDF). Science and Technology Trends Quarterly Review. January 2008, 26: 104–123 [2009-08-10]. （原始內容 (PDF)存檔於2011-07-21）. 
  9. ^ [失效連結]Karst, G. Novel Processing of High-Performance Structural Syntactic Foams. Society for the Advancement of Material and Process Engineering. 2002 [2009-08-07]. （原始內容存檔於2011-07-23）. 
  10. ^ Bardella, L.; Genna F. On the elastic behavior of syntactic foams. International Journal of Solids and Structures. 2001, 38 (2): 7235–7260. doi:10.1016/S0020-7683(00)00228-6. 
  11. ^ Shubmugasamy, V. Compressive Characterization of Single Porous SiC Hollow Particles. JOM. 2014, 66 (6): 892–897. Bibcode:2014JOM....66f.892S. S2CID 40553878. doi:10.1007/s11837-014-0954-7. 
  12. ^ Islam, Md Mainul; Kim, Ho Sung. Manufacture of syntactic foams: pre-mold processing (PDF). Materials and Manufacturing Processes. 2007, 22: 28–36. S2CID 136610096. doi:10.1080/10426910601015857. 
  13. ^ Islam, Md Mainul; Kim, Ho Sung. Manufacture of syntactic foams using starch as binder: post-mold processing (PDF). Materials and Manufacturing Processes. October 2008, 23 (8): 884–892. S2CID 138333688. doi:10.1080/10426910802413661. 
  14. ^ Gupta, Nikhil; Woldesenbet, Eyassu. Hygrothermal studies on syntactic foams and compressive strength determination. Composite Structures. September 2003, 61 (4): 311–320. doi:10.1016/S0263-8223(03)00060-6. 
  15. ^ Bas, Halim Kerim; Jin, Weihua; Gupta, Nikhil; Luong, Dung D. Strain rate-dependent compressive behavior and failure mechanism of cementitious syntactic foams. Cement and Concrete Composites. 2019-01-01, 95: 70–80. ISSN 0958-9465. S2CID 139598037. doi:10.1016/j.cemconcomp.2018.10.009 （英語）. 
  16. ^ Bas, Halim Kerim; Jin, Weihua; Gupta, Nikhil; Behera, Rakesh Kumar. In-situ micro-CT characterization of mechanical properties and failure mechanism of cementitious syntactic foams. Cement and Concrete Composites. 2018-07-01, 90: 50–60. ISSN 0958-9465. S2CID 140068274. doi:10.1016/j.cemconcomp.2018.03.007 （英語）. 
  17. ^ Bas, Halim Kerim; Jin, Weihua; Gupta, Nikhil. Chemical stability of hollow glass microspheres in cementitious syntactic foams. Cement and Concrete Composites. 2021-04-01, 118: 103928. ISSN 0958-9465. S2CID 234059434. doi:10.1016/j.cemconcomp.2020.103928 （英語）. 
  18. ^ 3-D Printing Breakthrough for Lightweight Syntactic Foams Could Help Submarines Dive Deeper | NYU Tandon School of Engineering. engineering.nyu.edu. February 6, 2018 [2018-09-22] （英語）. 
  19. ^ Islam, Md Mainul; Kim, Ho Sung. Sandwich composites made of syntactic foam core and paper skin: manufacturing and mechanical behavior. Journal of Sandwich Structures and Materials. 2012, 14 (1): 111–127. S2CID 135970284. doi:10.1177/1099636211413564. 
  20. ^ Arifuzzaman, Md; Kim, Ho Sung. Novel flexural behaviour of sandwich structures made of perlite foam/sodium silicate core and paper skin. Construction and Building Materials. 1 September 2017, 148: 321–333. doi:10.1016/j.conbuildmat.2017.05.073. 
  21. ^ [失效連結]Thim, Johann. Performing Plastics - How plastics set out to conquer the world of sports. European Chemical Industry Council. 3 February 2005 [2009-08-10]. [永久失效連結]

外部連結

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