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本文作者：潘一鳴單位：納米橋亞洲

材料的重量、強(qiáng)度和安全性是影響現(xiàn)代航空器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要因素。新型的多功能納米材料為設(shè)計(jì)下一代更輕、更可靠的飛機(jī)提供了解決方案。

Nanoledge公司從事研究和生產(chǎn)含有碳納米結(jié)構(gòu)熱固性樹脂，致力于展示傳統(tǒng)材料所不具備的新型復(fù)合材料的性能。公司生產(chǎn)的加入了碳納米管的NanoIn®樹脂，廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品領(lǐng)域。

碳納米管NanoIn®綜合解決方案

當(dāng)前，碳納米管對(duì)航空領(lǐng)域中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)有著卓越的性能并有著多種應(yīng)用方向。在未加工的狀態(tài)，由于它們有巨大的表面積，這些粒子自身有著強(qiáng)烈互相作用的趨勢(shì)，從而形成巨大而堅(jiān)實(shí)的凝聚物。為了使這些新產(chǎn)品的整體性能發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，碳納米管在基體中的擴(kuò)散以及和基體的交互作用是粒子成功融合的關(guān)鍵。多數(shù)時(shí)候，傳統(tǒng)的分散和混合技術(shù)不足以在宏觀范圍內(nèi)體現(xiàn)納米管的特性。

NanoIn®碳納米管綜合技術(shù)

在過(guò)去的5年里，Nanoledge已經(jīng)發(fā)展了把碳納米管融合到聚合材料并且轉(zhuǎn)移其固有特性到基體里的方法。未加工的碳納米管不能與標(biāo)準(zhǔn)材料兼容，并且碳納米管之間的交互作用會(huì)導(dǎo)致其凝聚成團(tuán)。因此，只添加了碳納米管和聚合材料的混合物的性能比沒有任何添加劑的聚合物的性能高不了多少（有時(shí)甚至更低）。NanoIn®技術(shù)的主要目標(biāo)就是在碳納米管的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出高性能多功能的材料。這項(xiàng)技術(shù)主要有3個(gè)內(nèi)容：

1功能

為了補(bǔ)償碳納米管的化學(xué)惰性，必須經(jīng)過(guò)2個(gè)步驟來(lái)修改它們的表面性質(zhì)，從而使它們能在聚合物的基體里更好地分散。

（1）第一步：激活。

采取第一步是為了形成一個(gè)碳納米管/KEY1復(fù)合體。KEY1是用來(lái)把表面性質(zhì)轉(zhuǎn)換到碳納米管上的激活劑。由于KEY1和碳納米管之間缺乏共價(jià)連接，因此碳納米管的晶體結(jié)構(gòu)被保留。這個(gè)被吸附的分子（KEY1）被設(shè)計(jì)為符合從大量分子中選出的第二個(gè)成分（KEY2）。

（2）第二步：增容作用。

如圖所示，第二個(gè)成分KEY2用來(lái)加強(qiáng)被激活的含有碳納米管的基體的兼容性。KEY2作為一個(gè)共聚物中的成分，顯示了良好的擴(kuò)散和潤(rùn)濕性。KEY2被叫做增容劑，它與KEY1有力結(jié)合，位于碳納米管的表面。KEY1和KEY2的結(jié)合在改進(jìn)過(guò)的碳納米管表面產(chǎn)生了高效的增容作用。

2分散

由于物理交互作用，產(chǎn)生的碳納米管通常粘在一起形成團(tuán)聚狀態(tài)。這種現(xiàn)象導(dǎo)致碳納米管易受影響的表面區(qū)域急劇減少。為了使它們最有用的性能集中到主材料上，碳納米管必須被均勻地分散到后者里面；即團(tuán)聚狀態(tài)必須被破壞并且碳納米管之間的相互吸引作用必須被補(bǔ)償。穩(wěn)定的碳納米管分散狀態(tài)可以通過(guò)兩種方法獲得（：1）采用機(jī)械手段減少聚團(tuán)大小（；2）添加特殊的分散劑來(lái)阻止碳納米管重新團(tuán)聚。

3適應(yīng)處理

這項(xiàng)技術(shù)被稱為“適應(yīng)處理”是因?yàn)樵诓牧闲阅芨倪M(jìn)的同時(shí)，NanoIn并不想改變消費(fèi)者的使用過(guò)程。技術(shù)必須適應(yīng)過(guò)程而不是與之對(duì)立。這就是為什么基于Nanoledge的配方能夠被調(diào)節(jié)并融于消費(fèi)過(guò)程之中的原因。

Nano配方

Nanoledge參考了大量關(guān)于碳納米管的知識(shí)以便找出最適合顧客應(yīng)用的產(chǎn)品類型。例如，Nanoledge鑒定了所有可獲得的碳素納米管類型，用以確定最適合于電子或機(jī)械方面應(yīng)用的產(chǎn)品。

另外，生產(chǎn)碳納米管產(chǎn)品的過(guò)程必須符合操作程序。為了達(dá)到這些要求，Nanoledge正確地融合KEY1、KEY2以及基體樹脂以能夠制造最方便客戶使用的產(chǎn)品是有可能的。這個(gè)生產(chǎn)技巧使得NanoIn技術(shù)能夠滲透到多個(gè)生產(chǎn)工序之中，從而保證了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

綜合這些碳納米管的探索過(guò)程所得出的結(jié)論，最符合制造程序的是Nano配方。Nano配方技術(shù)是讓碳納米管成功融入復(fù)合材料的關(guān)鍵所在。這是Nanoledge的核心技術(shù)，同時(shí)也是Nanoledge系列產(chǎn)品的本質(zhì)價(jià)值之一。

基于這項(xiàng)技術(shù)，NanoLedge開發(fā)了一系列適用于工業(yè)應(yīng)用的熱固性樹脂。目前，整套產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)可以通過(guò)商業(yè)渠道獲得。這個(gè)系列產(chǎn)品被稱為NanoIn®base系列產(chǎn)品。

NanoIn®base基于母料（高密度）的原則設(shè)計(jì)，當(dāng)把新產(chǎn)品應(yīng)用于傳統(tǒng)配方時(shí)，可通過(guò)替換配方中的部分樹脂來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)改變處理工序。由于NanoIn®base的出現(xiàn)，使得把NanoIn®技術(shù)融入到配方系統(tǒng)中成為了可能。

產(chǎn)品的材料包括4種樹脂基體：

Base1：液體雙酚A樹脂，含3%的碳素納米管，是通用的產(chǎn)品。

Base2：半液體狀態(tài)雙酚A樹脂，含2%的碳素納米管。

Base3：雙酚F樹脂，含3%碳素納米管。

Base4：TGMDA樹脂，含2%碳素納米管，符合航空材料市場(chǎng)的耐熱配方需求。

所有這些產(chǎn)品都可以根據(jù)上文提到的Nano配方的原則進(jìn)行調(diào)整，以滿足顧客的需求。

NanoIn®技術(shù)在航空應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

碳納米管綜合NanoIn®技術(shù)可以為航空工業(yè)對(duì)新特性和新材料的探索提供解決方案。

碳納米管是可以加入其中來(lái)體現(xiàn)多功能優(yōu)勢(shì)的增韌劑，材料的堅(jiān)韌性與良好的傳導(dǎo)性相結(jié)合，使它更適合取代傳統(tǒng)材料。

由于這樣的材料更輕便，因此它們對(duì)結(jié)構(gòu)的整體減重有很大的貢獻(xiàn)。同時(shí)可以改善其機(jī)械性能。這些特點(diǎn)可以用于設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重的另一個(gè)方面是可以使用NanoIn。在達(dá)到相同強(qiáng)度的同時(shí)，厚度的減少能夠使飛機(jī)更加輕巧。而軍用飛機(jī)也能夠使用碳納米管增強(qiáng)材料制造機(jī)翼結(jié)構(gòu)、框架和艙體。由于這些材料能夠承受更大的沖擊，因而可以被用于設(shè)計(jì)更加耐用的結(jié)構(gòu)。

作為使用NanoIn技術(shù)整合碳納米管結(jié)構(gòu)的一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)，重量的減輕使得飛機(jī)擁有了更低的燃料消耗或更多的乘客空間，對(duì)達(dá)到環(huán)保的要求起到了很大的作用。

結(jié)論

本文展示了NanoIn®環(huán)氧樹脂和復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)對(duì)航空工業(yè)有著非常大的影響并且能夠切實(shí)提高傳統(tǒng)材料的性能。

材料性能的提高可以直接轉(zhuǎn)換為重量的減輕，安全性的增加可以使飛機(jī)有更長(zhǎng)的使用壽命。

這些材料的使用幾年前還停留在理論研究的階段，而如今已經(jīng)通過(guò)NanoIn®技術(shù)變成了事實(shí)。

目前，為了得到強(qiáng)度大、韌性好的材料，使用了很多密度較大的基體材料，一些設(shè)計(jì)師甚至使用橡膠這樣的填充劑來(lái)得到更堅(jiān)韌的材料。這些材料有許多缺點(diǎn)，比如重量或者由于水份侵蝕引起的性能降低、模量損失。

NanoIn®技術(shù)所提供的材料能夠從機(jī)械性能方面克服這些缺點(diǎn)：抗沖擊性提高25％，抗擠壓能力提高25％，耐疲勞性提高250%，抗裂紋擴(kuò)展能力提高30％。使用了NanoIn®技術(shù)的碳納米管填充樹脂是提高復(fù)合材料機(jī)械性能的首選材料。NanoIn®技術(shù)通過(guò)添加碳納米管使設(shè)計(jì)一種符合航空工業(yè)各種需求的材料成為可能。通過(guò)NanoIn®添加這些碳納米管所取得的進(jìn)步是顯而易見的，它可能也會(huì)對(duì)研究其他領(lǐng)域產(chǎn)生一定的影響。

碳納米管材料今天通過(guò)NanoIn®技術(shù)成為了現(xiàn)實(shí)，但是對(duì)其性能的研究仍然需要繼續(xù)探索。