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標(biāo)題: 碳納米管“針”“穿針引線(xiàn)”，實(shí)現(xiàn)復(fù)材的良好粘合 [打印本頁(yè)]

作者: 寂靜天花板 時(shí)間: 2016-9-3 13:05
標(biāo)題: 碳納米管“針”“穿針引線(xiàn)”,，實(shí)現(xiàn)復(fù)材的良好粘合
據(jù)報(bào)道,，麻省理工學(xué)院航天工程師于近日設(shè)計(jì)了碳納米管“針”，它可以“穿針引線(xiàn)”使復(fù)合材料層間實(shí)現(xiàn)良好粘合,，從而有助于制造出質(zhì)量更輕,、抗損傷性能更強(qiáng)的航天飛機(jī)。
此前,，空客和波音公司最新的載人航天飛機(jī)機(jī)身主要是由先進(jìn)的復(fù)合材料構(gòu)成的,，譬如用質(zhì)量極輕且使用性能優(yōu)異的碳纖維增強(qiáng)塑料代替飛機(jī)的鋁基材料，可以使其重量減輕約20%,。復(fù)合材料在飛機(jī)上的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)就在于通過(guò)減輕重量以節(jié)省燃油消耗,。但是復(fù)合材料抗損傷性能較差：與鋁基材料在斷裂前可以承受較大的沖擊相比，復(fù)合材料的多層結(jié)構(gòu)在較小沖擊下就很容易發(fā)生斷裂,。
研究人員使用碳納米管將每一層復(fù)合材料“栓”在一起,。碳納米管中的薄卷狀碳原子雖然“身形”微小，但是強(qiáng)度極高,。他們?cè)陬?lèi)膠狀聚合物基體中嵌入碳納米管“森林”,，然后“壓緊”碳纖維復(fù)合材料層間的聚合物基體。納米管就像是細(xì)小的豎直排列的“針”,，充當(dāng)多層結(jié)構(gòu)的支架,，在層間部位進(jìn)行“縫合”。
測(cè)試結(jié)果表明,，與現(xiàn)有復(fù)合材料相比,，經(jīng)碳納米管“縫合”的復(fù)合材料強(qiáng)度可提升30%，在斷裂前能承受更大的作用力,。
此項(xiàng)研究的首席研究員,，MIT航空航天系博士后Roberto Guzman認(rèn)為，性能提升的復(fù)合材料可以用于制造強(qiáng)度更高,、質(zhì)量更輕的飛機(jī)零部件,，尤其是那些使用傳統(tǒng)復(fù)合材料制造的因包含螺釘或螺栓而容易斷裂的零部件。
“尺寸是關(guān)鍵”
當(dāng)前，復(fù)合材料由層狀的橫向碳纖維組成,，通過(guò)膠粘劑粘接,。此項(xiàng)研究參與者，MIT航空航天系教授Wardle指出,，“層間粘合處是非常薄弱,、存在問(wèn)題的區(qū)域”。許多學(xué)者嘗試采用“Z釘扎”方法固定或通過(guò)“三維編制”復(fù)合材料層的碳纖維束以增強(qiáng)結(jié)合性能,，類(lèi)似于釘子和針線(xiàn)所起的作用,。
Wardle表示，“釘子或針的尺寸是碳纖維的幾千倍,，所以如果在碳纖維中加入這些物質(zhì),，將會(huì)破壞成千上萬(wàn)的碳纖維，對(duì)復(fù)合材料本身的損傷不言而喻,�,！倍技{米管直徑約10納米，只有碳纖維尺寸的百萬(wàn)分之一,。
“尺寸的問(wèn)題很重要,，正因?yàn)榧{米管進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部而不會(huì)影響大尺寸的碳纖維，才使復(fù)合材料的性能得以保持,，” Wardle解釋說(shuō),，“碳納米管擁有的表面積達(dá)到碳纖維的1000倍，這使它們與聚合物基體結(jié)合良好,�,！�
Guzman和Wardle采用的新技術(shù)即可使碳納米管嵌入聚合物膠內(nèi)部。首先,，他們獲得豎直排列的碳納米管森林,，然后將納米森林置于粘稠的,、未固化的復(fù)合層之間,，重復(fù)此過(guò)程一直到16層(典型的復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu))，實(shí)現(xiàn)碳納米管在層與層之間粘結(jié),。
Wardle認(rèn)為,，“隨著大多數(shù)新型飛機(jī)的重量超過(guò)一半來(lái)自于復(fù)合材料，提升當(dāng)前復(fù)合材料的綜合性能對(duì)拓寬其在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用將起到很大的推動(dòng)作用,�,！�

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