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单壁碳纳米管在强化复合材料应用的新突破

更新于:2017-03-06   来源:OCSiAl   点击:329次

关键词: 单壁碳纳米管  

       与传统材料相比,复合材料的应用因其较高的强度重量比以及刚性等优点而广为使用。然而,与传统材料不同的是,复合材料的性能在很大程度上取决于生产制造的方法和条件。为了弥补复合材料的高缺陷率,工程师们通常不得不使用多达40%的材料作为安全余量以确保可靠性水平。
 
  碳纤维强化塑料(CFRP)存在的一些问题中,至关重要的一个是低损伤阻抗,这可以归因于基质的性质和纤维的接触界面。冲击载荷压力引起开裂和分层,从而导致性能大幅下降。发现表明通过纳米材料强化聚合物将使复合材料的性能得到显著改善。
 
  汉堡科技大学研究纳米管在强化复合材料中的潜能
 
  汉堡技术大学(TUHH)聚合物与复合材料学院的一项最新研究发现,对比未经强化的和经过单壁碳纳米管强化的单向碳纤维强化复合材料预浸料坯,后者在强化材料的性能参数方面表现出巨大的潜能。基于单壁碳纳米管的优点和特殊性能,汉堡技术大学(TUHH)聚合物与复合材料学院已开发出120°C-TG工业预浸料坯。
 
  研究分析了热熔环氧树脂预浸料坯系统,为便于使用和安全处理,添加含1 %(质量百分比)TUBALL™单壁碳纳米管的工业母料强化。单向碳纤维预浸料坯包含Mitsubishi(三菱)型号为Grafil 34-700的碳纤维。
 
  断裂性能的改进
 
  研究结果清楚地表明,TUBALL单壁碳纳米管强化的碳纤维层板中心断裂性能得到显著改善。即使在非常低的添加量,如0.01%(质量百分比)和0.05%(质量百分比)时,性能的强化效果依旧十分显著。
 
  未经强化的和经单壁碳纳米管强化的碳纤维强化复合材料,碳纤维材料在正常使用条件下受典型的冲击能量28.3 焦耳的冲击,然后使用超声波C扫描以确定冲击面积和损伤深度。图1中,三个未经强化的和强化的碳纤维强化复合材料预浸料坯样品的缺陷回波图像中可见典型的损伤区域和形状。超声C扫描检测结果表明,添加0.01%(质量百分比)和0.05%(质量百分比)单壁碳纳米管Tuball强化过的材料,损伤面积显著缩小。
 
  未经强化的碳纤维强化复合材料的平均分层面积为3940±470 mm2,相对添加0.05%(质量百分比)单壁碳纳米管强化的材料,平均分层面积为3180±130 mm2,减少了19.3%(图2)。
 
 
  分层趋势是复合材料最终灾难性破坏的主要机制之一,特别是在循环载荷作用下,因此降低分层面积具有很高的技术关联性。显而易见的结论表明,TUBALL强化的碳纤维强化复合材料,对改善疲劳性能市场潜力很大。
 
  此外,应该提及到冲击试验后的压缩强度,这与航空应用高度相关,测试表明经过0.05%(质量百分比)TUBALL纳米管强化的材料,可增加约5%的冲击后压缩强度(图3)。通过优化材料,未来的发展将展现更好的效果。
 
 
   单壁碳纳米管在高性能材料中的更高潜能
 
  根据ASTM D2344/D2344M-16标准,OCSiAl公司对经过TUBALL单壁碳纳米管强化的、玻璃纤维增强聚酯SMC(片状模塑料)复合材料进行了层间剪切强度试验,试验表明,添加0.05%(质量百分比)的TUBALL单壁碳纳米管时,聚合物基复合材料及其层压材料的短梁强度提高了34%,而添加0.1%(质量百分比)的TUBALL则增加了45%(图4)。
 
  
  单壁碳纳米管强度比钢强100倍,最大长度直径比约5000,是最好的导电体之一,但重量比铜轻5倍,所有这些特点使它们与广泛使用的碳添加剂相比,显示出无与伦比的优异性能。此外,低至0.01%的超低添加,足以在聚合物基体中形成导电和增强的三维网络。
  
  最初进行的多次对单壁碳纳米管增强的复合材料的可行性研究展示了令人印象深刻和令人鼓舞的结果。汉堡科技大学和OCSiAl公司,也将继续更深一步开展对新型高性能材料的测试和研发,许多大型制造商现在也开始对这些先进材料的工业应用进行试验。受市场和研究驱动的进展,未来将会催生更多以TUBALL单壁碳纳米管技术为基础的各类应用产品。


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