先进复合材料的新发展
[ 作者:梅蕾 来源:哈工大(威海)新闻网 浏览:4050 录入时间:2013年1月27日 ]
 

一个国家新材料的研制与应用水平,在很大程度上体现了一个国家的国防和科研水平,因此许多国家都把新材料的研制与应用放在科研工作的重要地位。碳纤维复合材料因其轻质、高强等优势而被应用于军事及民用工业等领域,特别是航空航天领域的光辉业绩,尤为世人所瞩目。

在国防军工领域,碳纤维增强树脂基复合材料已成为弹体和发动机壳体的结构部件及卫星主体结构承力材料,它在战斗机上的成功应用已经起到了明显的减重作用,并大幅度提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。国外F-22JSF等第四代战机的复合材料应用比例已分别达到了24%和35%,德国EF2000战斗机结构中碳纤维增强复合材料的应用甚至超过整个结构重量的60%。在民用领域,碳纤维缠绕气瓶和复合材料风机叶片已得到广泛应用;民机使用碳纤维复合材料可减轻重量,大大减少油耗和排放,空客A38025%采用复合材料。

碳纤维增强聚合物基复合材料的性能不但取决于碳纤维和树脂基体本身的力学性能,而且还取决于碳纤维与基体之间的界面粘结以及界面应力传递能力。但由于碳纤维表面为石墨乱层结构,表面活性官能团少,使其与基体的粘结界面中存在较多缺陷,界面粘结强度低,复合材料的层间剪切强度低。因此,为改善碳纤维增强树脂基复合材料的性能,必须对碳纤维与树脂基体的界面进行整体优化设计。

众所周知,参天古树扎根沃土,任凭骤风暴雨来摧,依然可屹立百年乃至千年不倒,缘于其绵延至土壤深处数以千万的须根,使根与土壤融为一体。受大自然的启发,学者们提出了仿树根结构的碳纤维接枝碳纳米管多尺度增强体,使基体与增强体在界面处融为一体。碳纤维接枝碳纳米管多尺度增强体是指由微米尺度的传统碳纤维与纳米尺度的碳纳米管复合而成的仿树根型增强材料。作为一种准一维纳米材料,因其稳定性、抗拉强度大而密度小,被看作是复合材料增强体的终极形式。这种碳纤维接枝碳纳米管多尺度增强体,一方面增大了纤维与树脂基体的接触面积,使界面机械啮合作用加强;另一方面碳纳米管以连接在纤维表面上的形式加入到树脂基体中,有利于碳纳米管的均匀分散及定向排布,可以发挥碳纤维和碳纳米管各自的优势性能。

随着航空航天工业的发展对复合材料的界面性能、抗冲击性能等方面的需求升级,碳纳米管/碳纤维增强树脂基复合材料作为一种全新的高性能复合材料,必定为先进复合材料的未来发展注入新的内容和活力。

作者简介:梅蕾,船舶工程学院讲师,2011年博士毕业于哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所,主要研究方向为碳纳米管、碳纤维增强复合材料。




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