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盤點複合材料的最新創新與應用

摘要:根據市場研究的最新報告,到2021年,功能複合材料市場預計将從2016年286.2億美元增長到433.5億美元。

 

由兩種或兩種以上不同性質的材料,通過物理或化學的方法,在宏觀(微觀)上組成具有新性能的複合材料在性能上互相取長補短,産生協同效應,使其的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。鑒于複合材料具有多種功能性和優異的結構性能,使得它們的應用領域越來越廣。下面就一起盤點下近期在複合材料領域有哪些值得關注的最新創新和應用吧!

  1、碳纖維複合材料一體式智能自行車

據報道,衆籌平台kickstarter最近上線了一款沒有花鼓和輻條的智能自行車,據說它是世界上第一台真正意義上的一體式設計自行車。它的框架使用的是超輕碳纖維複合材料,整車僅重25.35磅。

外觀上看,該智能自行車乍一看頗有點像《創:光速戰記》裡面的Light Cycle光輪,它有個十分高端上檔次的名字——Cyclotron(回旋加速器)。而據悉這款自行車裝備了自充電電池、無輪毂車輪、非充氣輪胎、自動光傳感器等等,更重要的是,它的框架使用的是超輕碳纖維複合材料,整車僅重25.35磅(整車不含腳踏的重量在11.5kg左右)。車身搭載兩個無輻條空心輪胎,外圍是一圈由固體聚合物制成的輪圈,帶有強烈的未來氣息。看起來非常酷炫。

據該公司在衆籌頁面介紹,為了達到超輕複合材料結構,他們在中央超輕核結構外包裹兩層碳纖維,如此可以使用更少的碳纖維和樹脂,同時也不降低穩定性。

  2、采用石墨烯複合材料制成的跑車

在第七屆“歐洲科學開放論壇”舉辦期間,一款由英國制造商BAC公司推出的單座跑車原型BAC Mono在英國國家石墨烯研究院(NGI)展廳展出。據NGI商業總監詹姆斯•貝克介紹,該車的前後面闆和艙口采用石墨烯複合材料制成,從而使得跑車整體更輕、更堅固。

石墨烯作為一種二維新型碳材料,自發現以來由于其優異的特性受到各界的廣泛關注,尤其在儲能材料、催化劑載體、傳感、電極材料、阻燃材料、複合材料等領域具有廣泛的應用前景。而目前對于石墨烯的複合方法主要有以下3 種:①對石墨烯進行表面修飾或元素摻雜;②在石墨烯上負載金屬或金屬氧化物等無機納米顆粒;③石墨烯與高聚物複合。

石墨烯材料的強度是鋼的100倍,具有較高的強度和硬度,但其密度較低,質量較輕,是理想的汽車輕量化材料。将石墨烯作為增強相開發的輕質複合材料可用作汽車車身材料。BAC公司推出的這輛單座跑車原型BAC Mono采用石墨烯複合材料制成前後面闆和艙口正是利用了石墨烯材料的這一優良特性,在大大減輕車身重量的同時,也讓跑車整體更加堅固,據悉該跑車已通過道路測試。

  3、碳納米管“針”縫出高性能複合材料

據報道,麻省理工學院航天工程師于近日設計了碳納米管“針”,它可以“穿針引線”使複合材料層間實現良好結合,從而有助于制造出質量更輕、抗損傷性能更強的航天飛機。

在此之前,空客和波音公司最新的載人航天飛機機身主要是由先進的複合材料構成的,譬如用質量極輕且使用性能優異的碳纖維增強塑料代替飛機的鋁基材料,可以使其重量減輕約20%。複合材料在飛機上的主要應用優勢就在于通過減輕重量以節省燃油消耗。然而,複合材料抗損傷性能較差,其多層結構讓它在較小沖擊下就很容易發生斷裂,成為此應用的一大痛點。

最新報道的碳納米管“針”是使用碳納米管将每一層複合材料“栓”在一起。碳納米管中的薄卷狀碳原子雖然“身形”微小,但是強度極高。研究人員在類膠狀聚合物基體中嵌入碳納米管“森林”,然後“壓緊”碳纖維複合材料層間的聚合物基體。納米管就像是細小的豎直排列的“針”,充當多層結構的支架,在層間部位進行“縫合”。 測試結果表明,與現有複合材料相比,經碳納米管“縫合”的複合材料強度可提升30%,在斷裂前能承受更大的作用力。

  4、直升機複合材料旋翼螺旋槳葉片

直升機旋翼螺旋槳葉片常用金屬材料制作,但葉片在中東沙塵環境中因容易磨損而影響升力。為解決這一難題,俄羅斯正用玻璃纖維和非金屬複合材料改造旋翼葉片。

俄羅斯直升機公司的研發人員采用了兩種新材料來提高旋翼性能。與翼梁後部銜接的是厚度越來越小的葉片後段。為了盡量減輕這一組件的重量,俄羅斯直升機公司的專家用一種塗有膠液的複合材料完全取代了該組件的傳統金屬材料。據這家公司的講解視頻顯示,當旋翼平放時,其葉片後段的内部結構就像無數個上下開口的六邊形蜂窩孔洞。采用非金屬複合材料後,這種蜂窩結構更有助于減少 葉片後段的重量,從而使直升機飛得更高。

  5、複合材料瘦身航天散熱器

俄羅斯聯邦“羅馬申”國家科學中心近日宣布研制出一種新材料,可以減輕運載火箭的負擔,還有助延長衛星在軌壽命。據悉,“羅馬申”國家科學中心專家研制出這種新型碳纖維複合材料,具有更高的導熱性且重量更輕,可以替代人造衛星散熱器中的鋁合金材料。測試結果顯示,用這種新材料制作的衛星散熱器,不但可确保衛星攜帶的各種設備處于穩定的正常溫度範圍内,而且能使散熱器的總重量削減25%。

據悉航天器的重量每減少1公斤,就能使發射它的運載火箭的重量減少500公斤。另據“羅馬申”國家科學中心的專家介紹,人造衛星的散熱器減重25%後,可顯著提高衛星上的燃料儲備,延長衛星在軌工作壽命,同時還能讓衛星攜帶更多探測裝備,有助完成更多的考察任務。羅馬申”科學中心用新材料制作的4台散熱器已通過了驗收測試,并将安裝在 “拉沃奇金”科學生産公司正在研制的“北極”号氣象衛星上。該衛星計劃于2017年升空入軌。

來源:DT-高分子在線

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