碳納米管“針”“穿針引線”，實現(xiàn)復(fù)材的良好粘合

寂靜天花板

據(jù)報道,，麻省理工學院航天工程師于近日設(shè)計了碳納米管“針”,，它可以“穿針引線”使復(fù)合材料層間實現(xiàn)良好粘合，從而有助于制造出質(zhì)量更輕,、抗損傷性能更強的航天飛機,。
+ Y1 e- {& h' ~8 K: ?. A' M. e此前，空客和波音公司最新的載人航天飛機機身主要是由先進的復(fù)合材料構(gòu)成的,，譬如用質(zhì)量極輕且使用性能優(yōu)異的碳纖維增強塑料代替飛機的鋁基材料,，可以使其重量減輕約20%。復(fù)合材料在飛機上的主要應(yīng)用優(yōu)勢就在于通過減輕重量以節(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。
& N( y$ ?, }  c! t, C( {, }& k7 z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,，但是強度極高。他們在類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,。納米管就像是細小的豎直排列的“針”，充當多層結(jié)構(gòu)的支架,，在層間部位進行“縫合”,。
測試結(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)合材料強度可提升30%,，在斷裂前能承受更大的作用力。
4 J9 z5 E& G. N/ _% F% D2 p/ |此項研究的首席研究員,，MIT航空航天系博士后Roberto Guzman認為,，性能提升的復(fù)合材料可以用于制造強度更高、質(zhì)量更輕的飛機零部件,，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。
. s5 l/ q. W2 U$ ^0 A“尺寸是關(guān)鍵”
! o% U- L, _: D0 R  g  S+ o當前,，復(fù)合材料由層狀的橫向碳纖維組成,，通過膠粘劑粘接,。此項研究參與者，MIT航空航天系教授Wardle指出,，“層間粘合處是非常薄弱,、存在問題的區(qū)域”。許多學者嘗試采用“Z釘扎”方法固定或通過“三維編制”復(fù)合材料層的碳纖維束以增強結(jié)合性能,，類似于釘子和針線所起的作用,。
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),，將會破壞成千上萬的碳纖維，對復(fù)合材料本身的損傷不言而喻,�,！倍�碳納米管直徑約10納米，只有碳纖維尺寸的百萬分之一,。
6 Y& Q" G( }0 T$ y+ u  M+ P$ x“尺寸的問題很重要,，正因為納米管進入復(fù)合材料內(nèi)部而不會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,，“碳納米管擁有的表面積達到碳纖維的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)此過程一直到16層(典型的復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)),，實現(xiàn)碳納米管在層與層之間粘結(jié)。
$ J/ w7 }0 }4 a& OWardle認為,，“隨著大多數(shù)新型飛機的重量超過一半來自于復(fù)合材料,，提升當前復(fù)合材料的綜合性能對拓寬其在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用將起到很大的推動作用�,！�