先進複合材料的新發展
[ 作者:梅蕾 來源:哈工大(威海)新聞網 瀏覽:5638 錄入時間:2013年01月27日 ]
 

一個國家新材料的研製與應用水平,在很大程度上體現了一個國家的國防和科研水平,因此許多國家都把新材料的研製與應用放在科研工作的重要地位。碳纖維複合材料因其輕質、高強等優勢而被應用於軍事及民用工業等領域,特別是航空航天領域的光輝業績,尤為世人所矚目。

在國防軍工領域,碳纖維增強樹脂基複合材料已成為彈體和發動機殼體的結構部件及衞星主體結構承力材料,它在戰鬥機上的成功應用已經起到了明顯的減重作用,並大幅度提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能。國外F-22JSF等第四代戰機的複合材料應用比例已分別達到了24%和35%,德國EF2000戰鬥機結構中碳纖維增強複合材料的應用甚至超過整個結構重量的60%。在民用領域,碳纖維纏繞氣瓶和複合材料風機葉片已得到廣泛應用;民機使用碳纖維複合材料可減輕重量,大大減少油耗和排放,空客A38025%採用複合材料。

碳纖維增強聚合物基複合材料的性能不但取決於碳纖維和樹脂基體本身的力學性能,而且還取決於碳纖維與基體之間的界面粘結以及界面應力傳遞能力。但由於碳纖維表面為石墨亂層結構,表面活性官能團少,使其與基體的粘結界面中存在較多缺陷,界面粘結強度低,複合材料的層間剪切強度低。因此,為改善碳纖維增強樹脂基複合材料的性能,必須對碳纖維與樹脂基體的界面進行整體優化設計。

眾所周知,參天古樹紮根沃土,任憑驟風暴雨來摧,依然可屹立百年乃至千年不倒,緣於其綿延至土壤深處數以千萬的鬚根,使根與土壤融為一體。受大自然的啓發,學者們提出了仿樹根結構的碳纖維接枝碳納米管多尺度增強體,使基體與增強體在界面處融為一體。碳纖維接枝碳納米管多尺度增強體是指由微米尺度的傳統碳纖維與納米尺度的碳納米管複合而成的仿樹根型增強材料。作為一種準一維納米材料,因其穩定性、抗拉強度大而密度小,被看作是複合材料增強體的終極形式。這種碳纖維接枝碳納米管多尺度增強體,一方面增大了纖維與樹脂基體的接觸面積,使界面機械齧合作用加強;另一方面碳納米管以連接在纖維表面上的形式加入到樹脂基體中,有利於碳納米管的均勻分散及定向排布,可以發揮碳纖維和碳納米管各自的優勢性能。

隨着航空航天工業的發展對複合材料的界面性能、抗衝擊性能等方面的需求升級,碳納米管/碳纖維增強樹脂基複合材料作為一種全新的高性能複合材料,必定為先進複合材料的未來發展注入新的內容和活力。

作者簡介:梅蕾,船舶工程學院講師,2011年博士畢業於哈爾濱工業大學航天學院複合材料與結構研究所,主要研究方向為碳納米管、碳纖維增強複合材料。




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