2016年12月，德國的漢堡技術(shù)大學（TUHH）聚合物和復合材料研究院報告了往碳纖維增強復合材料（CFRP）中加入重量百分比為0.01和0.05的單壁碳納米管的測試結(jié)果。他們關(guān)于改善疲勞性能和納米管利用簡易性的顯著發(fā)現(xiàn)為復合材料產(chǎn)品的新進展奠定了基礎(chǔ)。具有增強性能特征的新型聚合物的誘人前景目前正在涌現(xiàn)。
斷裂性能改進了的納米復合材料
采用單向碳纖維來評估改性復合材料斷裂性能的改善情況。基于單壁碳納米管的優(yōu)點和優(yōu)異特性，開發(fā)了一種玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為120℃（120℃-TG）的工業(yè)預(yù)浸料，該預(yù)浸料包含了三菱公司（Mitsubishi）型號為Grafil 34-700的碳纖維。
圖1 沖擊試樣的超聲C 掃描（缺陷回波），用于分層區(qū)域測定：純 的（左），重量百分比0.01（中）和0.05（右）的。
為了易于使用和安全處理，通過工業(yè)上可用的色母粒對熱熔融環(huán)氧樹脂預(yù)浸料系統(tǒng)進行改性處理，該色母粒含有由OCSiAl公司制造的、重量百分比為1的TUBALLTM單壁碳納米管。“利用TUBALL改性的樹脂灌注的導熱玻璃纖維增強聚合物沒有任何限制，實在令人驚訝。此外，這些玻璃纖維增強聚合物保留了其特定的顏色——這是一個偉大的經(jīng)驗。”TUHH項目負責人Daniel von Bernstorff評論道。
純的和改性的碳纖維增強復合材料（CFRP）受到典型的沖擊能量為28.3焦耳的沖擊，在這種材料的正常使用條件下很容易發(fā)生。然后通過超聲波C掃描來確定沖擊面積和損傷深度。圖1給出了三種代表性缺陷回波圖像典型的損傷區(qū)域和形狀：純的、重量百分比0.01和0.05的改性CFRP預(yù)浸料樣品。
圖2 受到28.3 焦耳沖擊損傷后純的和單壁碳納米管改性CFRP 分層 面積的對比。
超聲C掃描結(jié)果表明，純樣品的平均分層面積為3940±470 mm2，而用0.05（重量百分比）的納米管改性的樣品平均分層面積為3180±130 mm2。與純樹脂相比，分層面積顯著減少了19.3%（見圖2）。
此外，沖擊試驗后緊接著的壓縮與飛機的應(yīng)用非常相關(guān)。后續(xù)壓縮表明用0.05重量百分比的納米管改性的材料具有使沖擊強度后的壓縮程度增加約5%的潛力（見圖3）。未來在優(yōu)化這些材料方面的發(fā)展預(yù)計會有更大的改進。
圖3，純的和單壁碳納米管改性CFRP 在沖擊后的壓縮強度對比。
OCSiAl公司粘合劑和復合材料的開發(fā)支持負責人Jens Schneider評論說：“各知名機構(gòu)所進行的測試都是非常重要的，而且他們已經(jīng)對單壁碳納米管的性能進行了獨立的驗證，并有許多可能的應(yīng)用。我們以前對復合材料的增強進行了一些內(nèi)部測試。通過填充0.15（重量百分比）的TUBALL，我們能將GFRP（玻璃纖維增強塑料，俗稱玻璃鋼）的短梁剪切強度提高48%。此外，我們還對SMC、BMC和拉擠成型件進行了測試，使這些復合材料具有導電性。這也可以用非常低的濃度的單壁碳納米管來實現(xiàn)”（見圖4）。
圖4，TUBALL 單壁碳納米管增強了的聚合物基復合材料短梁剪切強度。
清除工業(yè)化利用道路上的障礙
自他們這一發(fā)現(xiàn)的25年來，單壁碳納米管在其特殊特性方面優(yōu)于其他納米顆粒。 它們的導電和導熱系數(shù)比銅高幾倍，但卻輕了5倍。這些納米管還具有優(yōu)異的耐熱和耐化學性，并且具有比鋼大100倍的強度。還應(yīng)當提及的是，當嵌入到材料基體中時，納米管獨特的性質(zhì)可以傳遞給另一種化合物，使得添加劑可以在低的負載下改善材料性質(zhì)。
“TUHH長期以來對所有類型碳基納米材料（包括單壁碳納米管及其應(yīng)用）的力學和電學性能進行了鑒定。大約25年前，當碳納米管出現(xiàn)時，TUHH是第一批意識到這些材料潛力的科研機構(gòu)之一。今天，這些材料仍然有新的結(jié)果。”Bernstorff先生評論道。
然而，使用單壁碳納米管的下一代材料的規(guī)模使用和快速發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)就是大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的缺乏，造成了價格高昂，相應(yīng)地也導致應(yīng)用領(lǐng)域有限。 三年前，OCSiAl公司推出了一種能克服這些局限性的生產(chǎn)技術(shù)，而且能夠使公司以比類似物低75倍的價格供應(yīng)高品質(zhì)的單壁碳納米管。
此外，OCSiAl公司還能夠解決另一個關(guān)鍵的問題。“納米材料一般都存在這樣的問題，即它們必須非常好地分散在材料的基體中才得以獲得良好的性能。這種分散通常是非常困難的，并且通過在實驗室或生產(chǎn)設(shè)備中所能見到的標準設(shè)備是不可能實現(xiàn)的。我們已經(jīng)設(shè)法開發(fā)出了一種稱為TUBALL MATRIX的超精純系列產(chǎn)品，其中單壁碳納米管預(yù)分散得非常好。最大的優(yōu)點在于，使用這些超濃縮物，基體材料的分散性比較容易實現(xiàn)，并且使用標準設(shè)備相當可行。再者，超級濃縮物的載體介質(zhì)與復合材料工業(yè)中使用的許多基體材料相一致。”Jens Schneider說到。
專家們認為，這些最近在納米技術(shù)方面的成就已經(jīng)在為材料帶來革命性改變了。“由于提高最終材料性能所需的濃度非常低，與其他碳納米材料相比，TUBALL納米管真的是與眾不同。甚至樹脂灌注方法與納米管改性的液體聚合物在一起配合得相當好。”Bernstorff先生說。
高性能納米增強材料的出現(xiàn)
單壁碳納米管優(yōu)異的長徑比高達5000，即使?jié)舛葟牡椭林亓堪俜直葹?.01開始，也使得它們能夠在材料基質(zhì)中形成均勻的3D網(wǎng)絡(luò)。這些低負載促使電導率和力學性能得到了改善，但不會影響材料的原始顏色或其他的重要特性。
歐洲和亞洲領(lǐng)先的化學巨頭如朗盛萊茵化學（LANXESS Rhein Chemie）公司、BüFa復合材料公司和DUKSAN公司已經(jīng)注意到了材料技術(shù)的這個轉(zhuǎn)折點。利用單壁碳納米管的技術(shù)和商業(yè)利益之間良好的關(guān)聯(lián)性，他們已經(jīng)開始制造用于廣泛應(yīng)用的納米管基濃縮物。
通過去除彈性體、熱塑性塑料、熱固性材料、涂料、涂層和儲能材料中現(xiàn)有的平衡關(guān)系，單壁碳納米管能夠增加導電性，增強力學和二次性能。
Bernstorff先生在分享他對未來的愿景時表示：“從我們的角度來看，TUBALL納米管由于其出色的性價比，在聚合物應(yīng)用廣泛的電導率領(lǐng)域提供了有趣的應(yīng)用。電導率、改進的力學性能和工業(yè)可用性的結(jié)合使得這些納米管成為非常有前景的材料。”
到目前為止，OCSiAl是歐洲唯一一家被允許以工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)和營銷單壁碳納米管的公司。2016年9月，其核心產(chǎn)品TUBALLTM單壁碳納米管成為第一個通過歐盟化學品注冊、評估、授權(quán)和限制法規(guī)（REACH）的該類產(chǎn)品，OCSiAl此舉在世界范圍內(nèi)率先提高了單壁碳納米管管理的透明度，推動了單壁碳納米管多行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展進程。
OCSiAl將在盧森堡建設(shè)年產(chǎn)能為250噸的單壁碳納米管生產(chǎn)設(shè)施。除了生產(chǎn)設(shè)施，OCSiAl還將建立納米技術(shù)應(yīng)用中心，運用最尖端的納米技術(shù)成果，致力于研究復合材料、彈性體和熱塑性材料的工業(yè)解決方案。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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