2016年12月，德國的漢堡技術(shù)大學(xué)（TUHH）聚合物和復(fù)合材料研究院報告了往碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(fù)合材料產(chǎn)品的新進(jìn)展奠定了基礎(chǔ)。具有增強(qiáng)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(jìn)了的納米復(fù)合材料
采用單向碳纖維來評估改性復(fù)合材料斷裂性能的改善情況?；趩伪谔技{米管的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(dǎo)熱玻璃纖維增強(qiáng)聚合物沒有任何限制，實(shí)在令人驚訝。此外，這些玻璃纖維增強(qiáng)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(fù)責(zé)人Daniel von Bernstorff評論道。
純的和改性的碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(jī)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(qiáng)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(jìn)。
圖3，純的和單壁碳納米管改性CFRP 在沖擊后的壓縮強(qiáng)度對比。
OCSiAl公司粘合劑和復(fù)合材料的開發(fā)支持負(fù)責(zé)人Jens Schneider評論說：“各知名機(jī)構(gòu)所進(jìn)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(jìn)行了獨(dú)立的驗證，并有許多可能的應(yīng)用。我們以前對復(fù)合材料的增強(qiáng)進(jìn)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(qiáng)塑料，俗稱玻璃鋼）的短梁剪切強(qiáng)度提高48%。此外，我們還對SMC、BMC和拉擠成型件進(jìn)行了測試，使這些復(fù)合材料具有導(dǎo)電性。這也可以用非常低的濃度的單壁碳納米管來實(shí)現(xiàn)”（見圖4）。
圖4，TUBALL 單壁碳納米管增強(qiáng)了的聚合物基復(fù)合材料短梁剪切強(qiáng)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(dǎo)電和導(dǎo)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(xué)性，并且具有比鋼大100倍的強(qiáng)度。還應(yīng)當(dāng)提及的是，當(dāng)嵌入到材料基體中時，納米管獨(dú)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(fù)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(xué)和電學(xué)性能進(jìn)行了鑒定。大約25年前，當(dāng)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(jī)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(dǎo)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(shí)驗室或生產(chǎn)設(shè)備中所能見到的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是不可能實(shí)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(diǎn)在于，使用這些超濃縮物，基體材料的分散性比較容易實(shí)現(xiàn)，并且使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備相當(dāng)可行。再者，超級濃縮物的載體介質(zhì)與復(fù)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(rèn)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(dāng)好。”Bernstorff先生說。
高性能納米增強(qiáng)材料的出現(xiàn)
單壁碳納米管優(yōu)異的長徑比高達(dá)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(fù)載促使電導(dǎo)率和力學(xué)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(xué)巨頭如朗盛萊茵化學(xué)（LANXESS Rhein Chemie）公司、BüFa復(fù)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(diǎn)。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(dǎo)電性，增強(qiáng)力學(xué)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(dǎo)率領(lǐng)域提供了有趣的應(yīng)用。電導(dǎo)率、改進(jìn)的力學(xué)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(xué)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(jìn)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(yùn)用最尖端的納米技術(shù)成果，致力于研究復(fù)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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