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科技前沿

在复合材料层间结构里种一片“碳纳米管森林”
来源:中国国际复材展组委会编译  2016-08-15 10:42:18
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=3559

  作为世界两大飞机生产商,不管是空客还是波音,其最新款的喷气式客机上都大量采用了先进复合材料,比如碳纤维复合材料。其目的与达成的效果显而易见:这种轻质高强的新材料帮助减轻了20%的飞机重量,从而降低了燃油耗费,节约了成本。

然而,每种材料都有自身的缺陷,复合材料也不例外。比方说,作为复合材料主要竞争对手的轻金属铝,具有较大的抗冲击性能;而复合材料因为本身多层结构的属性,使其在外部冲击力尚小的时候内部就容易发生断裂。这或许就是复合材料的“阿克琉斯之踵”。

为了弥补这一短板,美国麻省理工学院的航空工程师们发明了一种可以将复合材料各层结构更加紧密联结在一起的技术,赋予其超出常规的强度和抗冲击性能。他们使用的“联结剂”是原子级碳纳米管。

研究者将碳纳米管以垂直角度嵌入聚合物基体,再将聚合物基体压在碳纤维复合材料的层级结构之间。这样,碳纳米管以一种“森林”的形态,将各层结构串联在一起。

  在随后的性能测试中,研究团队发现,这种新的复合材料比传统复合材料的强度高30%,可以承受更大的临界冲击力。

作为项目负责人,麻省理工大学航空航天系博士后Roberto Guzman表示,此次发现将为航空产业带来更强、更轻的飞机零部件,特别是那些含有螺丝钉和螺栓的零部件更将从中获益。

  当下的复合材料多以多层结构形式存在,通过聚合物相联结,但这种联结非常脆弱。人们曾试图通过3D编织等方法打破这一局面,增强层间的联结力。这种方法就好比在木板间打钉子,在织物之间穿针引线。

钉子也好,缝针也罢,其身量都比碳纤维大许多。意图通过二者增强层间结合力的方法都无异于饮鸩止渴,对层间结构的破坏作用远甚与巩固作用。然而,碳纳米管却非常微小,直径仅有10纳米,不到碳纤维的百万分之一。这意味着,将碳纳米管植入层间结构的行为,对直径大许多的碳纤维而言不会有丝毫损害。

于是,Guzman领导的研究小组先培育出一片垂直于水平面的碳纳米管“森林”,再将其移植到一块未经固化的复合材料基材上,然后不断重复这一步骤,最后生成一块16层复合材料组成的“片材”。在这块“片材”中,任意两层之间都以碳纳米管“森林“”作为连结。

  为测试新复合材料的强度,研究小组做了一组抗张强度对比实验。他们先将一根螺栓插入复合材料,再拔出来。实验证明,在作用力增大到原先的130%之后,新的复合材料才会发生破裂。

同时,研究人员还进行了另外一组开孔压力测试。实验表明,新的复合材料可承受的作用力也高出传统复合材料14个百分点。

强度的提升意味着这种新的复合材料更能承受任意一种外力伤害。考虑到世界上大部分新款飞机的复合材料用量都超过50%,这种新型复合材料的应用前景非常可观。

据称,该项目的研究工作受到了空客、波音、Embraer、洛克希德马丁、Saab AB、Spirit Aerosystem、赫氏复材、东邦特耐克丝等公司以及美国军方的支持。
 

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=3559