麻省理工學(xué)院航天工程師設(shè)計了碳納米管“針”，它可以“穿針引線”使復(fù)合材料層間實現(xiàn)良好結(jié)合，從而有助于制造出質(zhì)量更輕、抗損傷性能更強的航天飛機。

  目前，空客和波音公司最新的載人航天飛機機身主要是由先進的復(fù)合材料構(gòu)成的，譬如用質(zhì)量極輕且使用性能優(yōu)異的碳纖維增強塑料代替飛機的鋁基材料，可以使其重量減輕約20%。復(fù)合材料在飛機上的主要應(yīng)用優(yōu)勢就在于通過減輕重量以節(jié)省燃油消耗。

  但是復(fù)合材料抗損傷性能較差：與鋁基材料在斷裂前可以承受較大的沖擊相比，復(fù)合材料的多層結(jié)構(gòu)在較小沖擊下就很容易發(fā)生斷裂。低抗損傷性能已經(jīng)成為復(fù)合材料的阿喀琉斯之踵。

  近日，麻省理工學(xué)院(MIT)的航空工程師探索出一種粘結(jié)復(fù)合材料層的新方法，從而使其強度更高，耐損傷性能更好。

  研究人員使用碳納米管將每一層復(fù)合材料“栓”在一起。碳納米管中的薄卷狀碳原子雖然“身形”微小，但是強度極高。他們在類膠狀聚合物基體中嵌入碳納米管 “森林”，然后“壓緊”碳纖維復(fù)合材料層間的聚合物基體。納米管就像是細小的豎直排列的“針”，充當(dāng)多層結(jié)構(gòu)的支架，在層間部位進行“縫合”。

  測試結(jié)果表明，與現(xiàn)有復(fù)合材料相比，經(jīng)碳納米管“縫合”的復(fù)合材料強度可提升30%，在斷裂前能承受更大的作用力。

  此項研究的首席研究員，MIT航空航天系博士后Roberto Guzman認(rèn)為，性能提升的復(fù)合材料可以用于制造強度更高、質(zhì)量更輕的飛機零部件，尤其是那些使用傳統(tǒng)復(fù)合材料制造的因包含螺釘或螺栓而容易斷裂的零部件。

  “尺寸是關(guān)鍵”

  當(dāng)前，復(fù)合材料由層狀的橫向碳纖維組成，通過聚合物膠粘接。此項研究參與者，MIT航空航天系教授Wardle指出，“層間結(jié)合處是非常薄弱、存在問題的區(qū)域”。許多學(xué)者嘗試采用“Z釘扎”方法固定或通過“三維編制”復(fù)合材料層的碳纖維束以增強結(jié)合性能，類似于釘子和針線所起的作用。

  Wardle 表示，“釘子或針的尺寸是碳纖維的幾千倍，所以如果在碳纖維中加入這些物質(zhì)，將會破壞成千上萬的碳纖維，對復(fù)合材料本身的損傷不言而喻。”而碳納米管直徑約10納米，只有碳纖維尺寸的百萬分之一。

  “尺寸的問題很重要，正因為納米管進入復(fù)合材料內(nèi)部而不會影響大尺寸的碳纖維，才使復(fù)合材料的性能得以保持，” Wardle解釋說，“碳納米管擁有的表面積達到碳纖維的1000倍，這使它們與聚合物基體結(jié)合良好。”

  Guzman和Wardle采用的新技術(shù)即可使碳納米管嵌入聚合物膠內(nèi)部。首先，他們獲得豎直排列的碳納米管森林，然后將納米森林置于粘稠的、未固化的復(fù)合層之間，重復(fù)此過程一直到16層(典型的復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu))，實現(xiàn)碳納米管在層與層之間粘結(jié)。

  Wardle認(rèn)為，“隨著大多數(shù)新型飛機的重量超過一半來自于復(fù)合材料，提升當(dāng)前復(fù)合材料的綜合性能對拓寬其在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用將起到很大的推動作用。”