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飞得更轻更安全:美国MIT航空工程师用碳纳米管“针”改善机体用复合材料的抗损伤性能

2016-08-29 334浏览 标签: 碳纳米管美国MIT


研究背景


     目前,空客和波音公司最新的载人航天飞机机身主要是由先进的复合材料构成的,譬如用质量极轻且使用性能优异的碳纤维增强塑料代替铝基材料,可以减轻约20%的重量。复合材料在飞机上的主要应用优势就在于通过减轻重量以节省燃油消耗。但是复合材料抗损伤性能较差:复合材料由层状的横向碳纤维组成,通过聚合物胶粘接,与铝基材料在断裂前可以承受较大的冲击相比,复合材料的多层结构在较小冲击下就很容易发生断裂。这种特性限制了复合材料的使用,尤其在一些需要使用螺钉或螺栓做连接的部位。为解决这一问题,麻省理工学院(MIT)的航空工程师探索出一种新的复合材料层间结合方法,使用尺寸微小的碳纳米管嵌入聚合物胶内部,通过增大比表面积加强材料的结合力,有效提高了复合材料的强度和耐损伤性能。随着大多数新型飞机的构件超过一半来自于复合材料,提升当前复合材料的综合性能对拓宽其在航空结构中的应用将起到很大的推动作用。



研究内容


     该项研究由时为MIT博士后的Dr. Roberto Guzman牵头,于今年在期刊Composites Science and Technology上发表(2016年9月刊),联合作者包括来自瑞典SAAB AB公司工程师,联系作者为MIT航空航天教授Brian L. Wardle。


     研究人员使用高密度(>每平方厘米10十亿纤维)定向碳纳米管增强航天级单向碳纤维层压结合面,它可以“穿针引线”使复合材料层间实现良好结合,同时能提高平面内强度。研究人员使用碳纳米管将每一层复合材料“栓”在一起。碳纳米管中的薄卷状碳原子虽然微小,但是强度极高。他们在类胶状聚合物基体中嵌入碳纳米丛,而后压入碳纤维复合材料层间的聚合物基体。纳米管就像是细小的竖直排列的“针”,充当多层结构的支架,在层间部位进行“缝合”。测试结果表明,这种碳纳米管“缝合”方法显著提高了复合材料的承载能力,其中张力承载(螺栓拉出法)强度增加了30%,开放式孔压缩强度极限增加了14%,L形截面弯曲能量和偏转力增加了25%。


配图




动态链接: Method to reinforce these materials could help make airplane frames lighter, more damage-resistant

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