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當(dāng)石墨烯和碳纖維成為好兄弟,力學(xué)性能提升10%以上!

  • 發(fā)布時(shí)間2018-07-25 10:30
  • 發(fā)布人金彩集團(tuán)
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近年來(lái),碳纖維復(fù)合材料由于重量輕、耐高溫等特點(diǎn),在航天航空等眾多領(lǐng)域越來(lái)越受到垂青。最近,中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心與哈爾濱工業(yè)大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“哈工大”)共同研制出“石墨烯納米增強(qiáng)新型復(fù)合材料”,這個(gè)材料在傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料的基礎(chǔ)上,力學(xué)性能提升了10%以上,開(kāi)啟了碳纖維復(fù)合材料新革命。

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石墨烯納米增強(qiáng)新型復(fù)合材料

 

納米增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)作為顛覆性提升材料性能的重要途徑,一直是近年來(lái)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。一般傳統(tǒng)的做法是用碳納米管作為增強(qiáng)結(jié)構(gòu),但是這種方法存在許多技術(shù)瓶頸和局限性,最顯著的問(wèn)題就是碳納米管具有較強(qiáng)的流動(dòng)性,易產(chǎn)生“團(tuán)聚”現(xiàn)象,材料均勻性較差,難以制成大尺寸的材料,而且材料質(zhì)地比較脆,容易發(fā)生斷裂。

據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人吳迪介紹,石墨烯納米增強(qiáng)新型復(fù)合材料,就是在碳纖維復(fù)合材料中,增加了納米級(jí)的石墨烯,進(jìn)一步提高了碳纖維材料的韌性、強(qiáng)度、剛度等性能。與傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料相比,除了力學(xué)性能的提升,它還具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn):

導(dǎo)電性能好

該材料的導(dǎo)電性能,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的復(fù)合材料,能夠有效避免傳統(tǒng)復(fù)合材料與金屬材料連接的接觸面上,容易積累電荷產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的情況,大幅提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)耐久性能。

電磁屏蔽功能

該新型復(fù)合材料具有很好的電磁屏蔽功能,可以用于制備儀器設(shè)備殼體,與傳統(tǒng)金屬材料殼體相比,既能保護(hù)內(nèi)部電子元器件不被電磁輻射干擾,又能達(dá)到減重的效果。

防潮防水功能

該材料具有極強(qiáng)的疏水性能,可以用于制備防潮結(jié)構(gòu),提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力,為產(chǎn)品在潮濕環(huán)境下的長(zhǎng)期貯存和提升耐久性提供支撐。

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石墨烯納米增強(qiáng)新型復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

 

研發(fā)中心與哈工大聯(lián)合研制的石墨烯納米增強(qiáng)新型復(fù)合材料,是以氧化石墨烯為材料,制備出石墨烯海綿,這種石墨烯海綿具有三維生長(zhǎng)性,彼此之間相互連接,能夠非常均勻地與碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行融合。

該材料的成功研制,顛覆性地提高了現(xiàn)有復(fù)合材料的性能水平,為納米增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)研究開(kāi)辟了新的途徑,為未來(lái)航空航天飛行器輕質(zhì)化設(shè)計(jì)奠定了材料基礎(chǔ)。吳迪介紹,在這個(gè)材料的研制過(guò)程中,運(yùn)載火箭研究院研發(fā)中心主要負(fù)責(zé)前期的仿真設(shè)計(jì),哈工大主要負(fù)責(zé)材料的制備。該材料的成功研制,顛覆性地提高了現(xiàn)有復(fù)合材料的性能水平,為納米增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)研究開(kāi)辟了新的途徑,為未來(lái)航空航天飛行器輕質(zhì)化設(shè)計(jì)奠定了材料基礎(chǔ)。

可以看出,這是一種典型的三元復(fù)合材料,其中石墨烯海綿相當(dāng)于骨骼,碳纖維相當(dāng)于肌肉纖維,而樹(shù)脂則相當(dāng)于結(jié)締組織。從顯微圖可以看出,這種材料的結(jié)構(gòu)是在三維尺度上縱橫交錯(cuò)高度融合的,因此它擁有比碳纖維復(fù)合材料更好的力學(xué)和理化性能是應(yīng)有之義。

這種材料目前的問(wèn)題是產(chǎn)業(yè)化,因?yàn)槿绾我粤慨a(chǎn)的規(guī)模和效率實(shí)現(xiàn)石墨烯海綿的高質(zhì)量三維生長(zhǎng)及其與碳纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料的高度融合,對(duì)于任何一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)都是極大的挑戰(zhàn),因此這種材料的小批量應(yīng)用可能很快就會(huì)開(kāi)始,但是真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有一段較長(zhǎng)的路要走。另外這種材料的生產(chǎn)工藝特殊,成本高昂,因此在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)并無(wú)民用化的可能性。而且說(shuō)實(shí)話民用的場(chǎng)合不需要,也用不起。

(來(lái)源:中國(guó)復(fù)材展組委會(huì))