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国产新型碳纤维打破日本垄断 日本专家说了这四个字
发布时间:2018-10-11   浏览次数:96

日前,苏州纳米技术与纳米仿生研究所(简称苏州纳米所)正式与欧洲空客工程技术中心签署合作协议,并宣布成立“航空纳米材料联合实验室”。双方将以市场化为方向,加快纳米材料在大飞机上的应用,这也是空客在纳米领域首次与我国方面签署的战略合作。本文根据国内外公开资料,分析其技术背景。碳纳米管材料是继碳纤维,芳纶纤维,超高分子量聚乙烯纤维材料之后,近20年来工程技术人员又一寄以厚望的新一代高性能人工材料。理论计算及实验结果表明, 碳纳米管具有极为优异的力学、电学及热学等性能。

从理论上讲,其拉伸强度可高达100GPa,超过目前日本东丽公司T1000级碳纤维拉伸强度的10倍以上,是钢的100倍,而密度只有钢的六分之一,让日方高度关注,专家总结了一句话:“史无前例”,作为世界碳纤维第一大国,日本东丽公司垄断了高强度碳纤维的70%世界市场,这是第一种超过T1000级碳纤维的新型碳纳米管材料技术。

由于具有优良的导电性,其电流强度比铜高出300倍以上,碳纳米管是目前唯一有可能取代硅,并成为下一代微电子产业的基础材料。在散热性能方面, 碳纳米管比目前室温下最好的金刚石散热片,导热性能要高出3倍以上。由于碳在地球上广泛存在于大气、地壳和生物之中,其原料易得,因此高性能碳纳米材料的制备与应用成为近20多年来国际科学界最热点的前沿研究之一。

苏州纳米所于2009年7月成立后,在碳纳米管新材料研究及应用上取得了一系列重大成果而引起世人关注。在新一代战斗机和大型运输机上,以碳纤维复合材料取代金属、玻璃纤维来减轻重量是目前普遍的发展趋势,但在实际使用过程中却发现,碳纤维也有自身局限性,比如韧性较低,而飞机的机翼等部件却恰恰要求具有良好的的韧性。

常坐飞机的朋友可以发现,民航客机在遇到强气流时机翼韧性极好,弯曲变形幅度很大也不会折断。据公开资料披露, 苏州纳米所研制的40微米厚(0.04毫米)的碳纳米管薄膜嵌入到3.5毫米厚,140毫米长的碳纤维复合材料层压板后,其弯曲韧性提高了40-60%,完全能够满足飞机设计师的力学性能要求。

目前,碳纤维必须在浸入液体树脂材料固化成型制成碳纤维复合材料后才能真正投入产品应用,而一般固化工艺都是采用热压罐高温成型。热压罐成型技术可以保证制品的质量稳定,力学性能可靠。我国为了生产空警2000预警机雷达天线整流罩,曾经研制出了当时亚洲最大的热压罐,确实投入了大量经费支持。

然而,在实际使用过程中,以热压罐成型方式制备的复合材料存在许多问题,例如:热压罐成型能耗非常大,能源利用率非常低;热压罐成型周期非常长,设备利用率低;对于大型的热压罐,压力和温度控制较难,升温速度缓慢。这些缺陷的存在都大大增加了复合材料构件的成本。

同时,碳纤维在浸润树脂固化成型后与金属材料相比,导电和导热性能变差,因此不得不在碳纤维复合材料蒙皮中增加微型铜网,用以通电加热除冰和疏散雷击瞬时大电流,来应对冰雪和雷电等恶劣天气。热压罐成型制品难以满足这样的需求,而且微型铜网的引入无疑还会增加飞机的重量,使其消耗更多的燃料。

苏州纳米所研制的多孔碳纳米管薄膜铺于碳纤维和液体树脂中间后,不需昂贵的热压罐高温成型,仅需简单的抽真空后通电自加热就可成型,与传统热压罐固化方式相比,碳纳米管薄膜电加热固化技术可将能耗和成型时间分别降低83.7%和28.9%,而与热压罐固化成型出来的复合材料具有相同的力学性能。而且固化完成后,碳纳米管薄膜还可以作为碳纤维复合材料的组成部分使其具有优异的导电发热性能,用于除冰防雷,具有广泛的应用前景。可以说,这是高性能碳纤维复合材料制造上一个里程碑的突破。

同时,碳纳米管薄膜还具有优秀的防弹性能,初步试验表明,在高性能纤维防弹材料衣中嵌入苏州纳米所研制的碳纳米管薄膜后,不仅防弹性能提高了10%左右,而且最重要的是其抗冲击性能提高了21%。也就是说,原先防弹头盔可能防住了子弹射穿,但子弹带来的冲击后效应力很可能使颈椎折断,对头部造成非贯穿性损伤。而加入碳纳米管薄膜的防弹头盔则减少甚至避免了上述伤害。由于以上披露的碳纳米管薄膜应用公开资料性能表现十分理想,经多次考察后,欧洲空客公司决定和苏州纳米所展开通力合作,并迅速形成规模化、产业化,来进一步减轻飞机重量,提升飞机的安全性、舒适性。

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来源:图说军事
 关键词:碳纤维 | 航空航天
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