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碳纳米管、石墨烯材料在航空领域的应用
点击次数:635 发布时间:2017-09-08

纳米技术是通过对纳米尺度物质的操控来实现材料、器件和系统的创造和利用,例如,在原子、分子和超分子水平上的操控纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点,谁能在这一领域取得优点,谁就能占据21世纪科学的制高点。纳米碳材料是指尺度至少有一维小于100纳米的碳材料。纳米碳材料主要包括四种类型:纳米碳球、碳纳米管石墨烯和碳炔,其中碳纳米管和石墨烯由于其优异的性能,是近年来的研究热点。
 
         碳纳米管的弹性模量与金刚石的基本相同,为已知的zui高材料模量,约为钢的5倍;其弹性应变zui高可达12%,约为钢的60倍而密度仅为钢的几分之一。碳纳米管的强度大约比其他纤维的强度高200倍,可以经受约100万个大气压的压力而不破裂。碳纳米管表现出良好的导电性,在一定方向,导电率可达铜的一万倍;碳纳米管的热传导系数高于天然金刚石和石墨原子基面。
 
         石墨烯目前是世上zui薄也是zui坚硬的纳米材料,它几乎完全透明,只吸收2.3%的光;导热系数是金刚石的3倍;常温下电子迁移率是商用硅材料的140倍;电阻率比铜和银更低,是目前电阻率zui小的材料;单层石墨烯的比表面积是zui好活性炭的1.75倍;具有超强的刚度和硬度,强度是钢的100多倍。
 
         目前碳纳米管和石墨烯材料在多个领域开展研究,并逐步走向应用。
 
         其中,碳纳米管在航空领域的zui新进展有:
 
         美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员开发出一种均匀的多壁碳纳米管为基础的涂料,可降低常用的泡沫的内饰的易燃性。与未处理的泡沫相比,碳纳米管涂覆聚氨酯泡沫体的燃烧性降低了35%。研究人员将改性的碳纳米管均匀地分布并附着在聚合物层的上表面和下表面。由此产生的涂层,充分利用了碳纳米管的快速散热能力,与常用于软装饰的溴化阻燃剂相比,实现了更大的点火和燃烧阻力。同时当纳米管涂层泡沫暴露在极端高温中,会创建一个“炭保护层”屏障防止熔体池形成。
 
         美国研制出完全基于碳纳米管的中央处理器。2013年10月,美国斯坦福大学采用与同硅互补金属氧化物半导体(CMOS)完全兼容的工艺研制出首台完全基于碳纳米场效应晶体管的中央处理器原型。该处理器芯片面积为6.5mm2,由178个晶体管组成,每一个晶体管由10~200纳米场的数个碳纳米管组成,尽管该处理器的工作频率仅为1kHz,与主频108~740kHz的首台商用硅基计算机In4004存在巨大差距,目前仅能做演示和验证,但两者均采用相同的冯诺伊曼体系结构,都具有可编程能力,可串行执行多种计算任务,并运行基本的操作系统。与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料。
 
         麻省理工学院航空航天工程师开发出一种碳纳米管(CNT)薄膜,可以加热并固化复合材料,而不需要热压罐。当连接到一个电源,包裹在一个多层聚合物复合材料中的薄膜就会加热,促使聚合物固化。研究小组在常见的飞机碳纤维材料部件中测试了该薄膜,发现该薄膜可制造出强度与传统热压罐固化的一样的复合材料,但只使用了百分之一的能量。研究人员表示,碳纳米管薄膜很轻,添加重量可以忽略不计,在其熔融进树脂层后,薄膜本身与复合材料形成网格。MIT的技术直接接触需要加热的部分,这种复合材料固化方法更直接,更节能。可代替四层楼高的热压罐,以及数千万美元的基础设施。
 
         碳纳米管和石墨烯在航空工业中可用作结构材料、电磁屏蔽、透明、防静电、防雷击、耐雨蚀、除冰涂料、电缆材料等。
 
         石墨烯材料在航空领域的zui新进展有:
 
         韩国开发出石墨烯和金属超强复合材料。韩国科学技术高级研究院的研究人员,通过在含铜和镍的复合材料中使用石墨烯,发现了金属-石墨烯纳米层合复合材料中单原子层石墨烯具有强化效应。研究人员在金属沉积的基体上用化学沉积方法(CVD)生长单层的石墨烯;然后再沉积上另一层金属,重复上述步骤,就能得到一个多层的金属—石墨烯复合材料。铜基复合材料的强度变为纯铜强度的500倍;镍基复合材料的强度变为纯镍的180倍。0.0004%质量分数的石墨烯就能将材料强度提高数百倍,特别是利用卷对卷加工或金属烧结法开发大规模生产,使生产航天器用轻质、超高强部件成为可能。
 
         英国石墨烯增强碳纤维复合材料获得进展。加的夫大学工程学院在碳纤维树脂基复合材料中加入石墨烯纳米薄片(GNP)/碳纳米管(CNT),用以提高碳纤维的增强能力。研究中观测到的结果是,FLG抗压强度增加了13%,抗冲击性能提高了50%。这将对未来复合材料结构开发产生极大帮助,验证了未来减重、环保和减排的飞机设计的可能性。
 
         美用“石墨烯纸”开发出超级电容器。麻省理工的研究团队研究发现,将石墨烯纸揉皱成一团,可以制备的超级电容器。组成一个电容器需要两个导电层——即两张皱巴巴的石墨烯纸中间夹一个隔离层。超级电容器上隔离层采用的是水凝胶材料。石墨烯纸可以揉皱,平复1000次,且性能不发生明显降低。制成的超级电容器易于弯曲、折叠或拉伸到其原始大小的800%。这种将石墨烯起皱的技术不仅可用于制造超级电容器,也可以有其他应用。
 
         英国剑桥大学的研究人员开发出首个可弯曲的石墨烯柔性屏幕,在柔性显示屏的研究上更进一步。剑桥大学的新发明使用电泳显示器,通过电场将粒子悬浮。与大多数显示屏不同的是,新的显示屏采用软塑料和石墨烯底板取代传统的金属电极。石墨烯比传统的陶瓷如铟锡氧化物更加柔韧,比金属薄膜更加透明;且石墨烯更易于加工和生产,生产成本更低。石墨烯可用于创建提供全彩色高清图像显示屏。此外,使用石墨烯底板将允许嵌入传感器,使显示屏更能与观众互动,可满足未来柔性电子设备发展需求。