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至用碳纳米管“缝制出”轻质高强的复合材料!

发布时间:2021-10-11

用碳纳米管“缝制出”轻质高强的复合材料!

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麻省理工学院航天工程师设计了碳纳米管“针”,它可以“穿针引线”使复合材料层间实现良好结合,从济南时期测试等厂家单位的法人组织参加组成而有助于制造出质量更轻、抗损伤性能更强的航天飞机。

目前,空客和波音公司最新的载人航天飞机机身主要是由先进的复合材料构成的,比方用质量极轻且使用性能优良的碳纤维增强塑料代替飞机的铝基材料,可使其重量减轻第1、基本检查约20%。复合材料在飞机上的主要利用优势就在于通过减轻重量以节省燃油消耗。

但是复合材料抗损伤性能较差:与铝基材料在断裂前可以承受较大的冲击相比,复合材料的多层结构在较小冲击下就很容易产生断裂。低抗损伤性能已成为复合材料的阿喀琉斯之踵。

近日,麻省理工学院(MIT)的航空工程师探索出1种粘结复合材料层的新方法,从而使其强度更高,耐损伤性能更好。

研究人员使用碳纳米管将每层复合材料“栓”在1起。碳纳米管中的薄卷状碳原子虽然“身形”微小,但是强度极高。他们在类胶状聚合物基体中嵌入碳纳米管 “森林”,然后“压紧”碳纤维复合材料层间的聚合物基体。纳米管就像是细小的竖直排列的“针”,充当多层结构的支架,在层间部位进行“缝合”。

测试结果表明,与现有复合材料相比,经碳纳米管“缝合”的复合材料强度可提升30%,在断裂前能承受更大的作用力。

此项研究的首席研究员,MIT航空航天系博士后Roberto Guzman认为,性能提升的复合材料可以用于制造强度更高、质量更轻的飞机零部件,特别是那些使用传统复合材料制造的因包括螺钉或螺栓而容易断裂的LED显示屏测试方法标准SJ/T11281⑵003零部件。

“尺寸是关键”

当前,复合材料由层状的横向碳纤维组成,通过聚合物胶粘接。此项研究参与者,MIT航空航天系教授Wardle指出,“层间结合处是非常薄弱、存在问题的区域”。许多学者尝试采取“Z钉扎”方法固定或通过“3维编制”复合材料层的碳纤维束以增强结合性能,类似于钉子和针线所起的作用。

Wardle 表示,“钉子或针的尺寸是碳纤维的几千倍,所以如果在碳纤维中加入这些物资,将会破坏不计其数的碳纤维,对复合材料本身的损伤不言而喻。”而碳纳米管直径约10纳米,只有碳纤维尺寸的百万分之1。

“尺寸的问题很重要,正由于纳米管进入复合材料内部而不会影响大尺寸的碳纤维,才使复合材料的性能得以保持,” Wardle解释说,“碳纳米管具有的表面积到达碳纤维的1000倍,这使它们与聚合物基体结合良好。”

Guzman和Wardle采取的新技术便可使碳纳米管嵌入聚合物胶内部。首先,他们取得竖直排列的碳纳米管森林,然后将纳米森林置于黏稠的、未固化的复合层之间,重复此进程1直会影响指针转动的不安稳到16层(典型的复合材料叠层结构),实现碳纳米管在层与层之间粘结。

Wardle认为,“随着大多数新型飞机的重量超过1半来自于复合材料,提升当前复合材料的综合性能对拓宽其在航空结构中的利用将起到很大的推动作用。”

参考原文链接:Carbon nanotube 'stitches' make stronger, lighter composites.

文献链接:In-plane strength enhancement of laminated composites via aligned carbon nanotube interlaminar reinforcement.