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碳納米管“縫線”可制成更堅固,更輕的復合材料,中國建材網,cnprofit.com
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碳納米管“縫線”可制成更堅固,更輕的復合材料
2021年05月11日    閱讀量:142963    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

今天飛行的最新空中客車和波音客機主要由先進的復合材料制成,例如碳纖維增強塑料-極輕,耐用的材料使飛機的整體重量與鋁制飛機相比減少了多達20%。這種輕巧的機身直接轉化為節省燃油,這是先進復合材料受到青睞的重點。


但是復合材料也非常脆弱:鋁在破裂前可以承受較大的沖擊,而復合材料中的許多層由于沖擊較小而會破裂,這一缺點被認為是材料的致命弱點中國建材網cnprofit.com。


現在,麻省理工學院的航空工程師已經找到了一種粘合復合材料層的方法,使所得的材料比其他先進的復合材料更堅固,更耐損壞。他們的結果發表在本周的《復合材料科學與技術》雜志上。


研究人員使用碳納米管將復合材料層固定在一起-碳原子薄薄的碳卷,盡管它們的微觀結構非常堅固。他們將碳納米管的微小“森林”嵌入膠狀聚合物基質中,然后將基質壓在碳纖維復合材料層之間。類似于微小的,垂直排列的針的納米管在每個復合層的縫隙中工作,用作將各層保持在一起的支架。


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在測試該材料強度的實驗中,研究小組發現,與現有的復合材料相比,縫合的復合材料強度提高了30%,可以承受更大的斷裂力。


羅伯托·古茲曼(Roberto Guzman)是美國航空航天局(AeroAstro)的麻省理工學院博士后工作的負責人,他說,這種改進可能導致飛機零件更堅固,更輕-尤其是那些需要釘子或螺栓的飛機零件,這些零件可能會使傳統的復合材料破裂。


古茲曼說:“還需要做更多的工作,但是我們確實相信這將使飛機變得更堅固,更輕?!惫牌澛F在是西班牙IMDEA材料研究所的研究員?!斑@意味著節省了大量燃料,這對環境和我們的口袋都非常有用?!?/p>


該研究的合著者包括AeroAstro教授Brian Wardle和瑞典航空航天與國防公司Saab AB的研究人員。


“大小事項”


當今的復合材料由水平碳纖維的層或層組成,這些水平碳纖維由聚合物膠粘在一起,Wardle將其描述為“非常非常脆弱的問題區域”。嘗試加強這種膠粘區域的方法包括Z釘扎和3-D編織-涉及將碳纖維束釘扎或編織穿過復合層的方法,類似于將釘子穿過膠合板或穿過織物。


“針或釘子比碳纖維大數千倍,”沃德爾說?!耙虼?,當您驅動它們通過復合材料時,會破壞成千上萬的碳纖維并損壞復合材料?!?/p>


相比之下,碳納米管的直徑約為10納米-比碳纖維小近一百萬倍。


Wardle說:“尺寸很重要,因為我們能夠將這些納米管放入而不會干擾較大的碳纖維,而這正是維持復合材料強度的原因?!?“幫助我們提高強度的是,碳納米管的表面積是碳纖維的1,000倍,這使它們可以更好地與聚合物基體結合?!?/p>


加劇競爭


Guzman和Wardle提出了一種將碳納米管支架整合到聚合物膠中的技術。按照Wardle小組先前開發的程序,他們首先種植了垂直排列的碳納米管森林。然后,他們將森林轉移到粘性的,未固化的復合層上,并重復該過程,以生成一疊16層復合層(一種典型的復合層狀結構),每層之間都膠著碳納米管。


為了測試材料的強度,該團隊進行了一項拉力測試-一種用于確定航空航天零件尺寸的標準測試-研究人員在其中將螺栓穿過復合材料的孔,然后將其撕下。盡管現有的復合材料通常會在這種張力下斷裂,但研究小組發現,縫合后的復合材料更堅固,能夠承受開裂前多30%的力。


研究人員還進行了裸眼壓縮試驗,用力擠壓螺栓孔。在這種情況下,與現有的復合材料相比,縫合的復合材料在斷裂前承受的力要高出14%。


Wardle說:“強度的增強表明這種材料將對任何類型的破壞性事件或特征具有更高的抵抗力?!?“而且由于大多數最新飛機的重量都是復合材料的50%以上,因此改進這些先進的復合材料對飛機的結構性能具有非常積極的意義?!?/p>


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