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当石墨烯和碳纤维成为好兄弟,力学性能提升10%以上!
来源: | 作者:pmo9a88cb | 发布时间: 622天前 | 859 次浏览 | 分享到:
近年来,碳纤维复合材料由于重量轻、耐高温等特点,在航天航空等众多领域越来越受到垂青。最近,中国运载火箭技术研究院研发中心与哈尔滨工业大学(以下简称“哈工大”)共同研制出“石墨烯纳米增强新型复合材料”,这个材料在传统碳纤维复合材料的基础上,力学性能提升了10%以上,开启了碳纤维复合材料新革命。

纳米增强复合材料结构作为颠覆性提升材料性能的重要途径,一直是近年来材料领域的研究热点。一般传统的做法是用碳纳米管作为增强结构,但是这种方法存在许多技术瓶颈和局限性,最显著的问题就是碳纳米管具有较强的流动性,易产生“团聚”现象,材料均匀性较差,难以制成大尺寸的材料,而且材料质地比较脆,容易发生断裂。

据项目负责人吴迪介绍,石墨烯纳米增强新型复合材料,就是在碳纤维复合材料中,增加了纳米级的石墨烯,进一步提高了碳纤维材料的韧性、强度、刚度等性能。与传统碳纤维复合材料相比,除了力学性能的提升,它还具有以下几方面的优点:

导电性能好

该材料的导电性能,明显优于传统的复合材料,能够有效避免传统复合材料与金属材料连接的接触面上,容易积累电荷产生电化学腐蚀的情况,大幅提高产品的结构耐久性能。

电磁屏蔽功能

该新型复合材料具有很好的电磁屏蔽功能,可以用于制备仪器设备壳体,与传统金属材料壳体相比,既能保护内部电子元器件不被电磁辐射干扰,又能达到减重的效果。

防潮防水功能

该材料具有极强的疏水性能,可以用于制备防潮结构,提高产品的环境适应能力,为产品在潮湿环境下的长期贮存和提升耐久性提供支撑。



石墨烯纳米增强新型复合材料的微观结构

研发中心与哈工大联合研制的石墨烯纳米增强新型复合材料,是以氧化石墨烯为材料,制备出石墨烯海绵,这种石墨烯海绵具有三维生长性,彼此之间相互连接,能够非常均匀地与碳纤维复合材料进行融合。

该材料的成功研制,颠覆性地提高了现有复合材料的性能水平,为纳米增强复合材料技术研究开辟了新的途径,为未来航空航天飞行器轻质化设计奠定了材料基础。吴迪介绍,在这个材料的研制过程中,运载火箭研究院研发中心主要负责前期的仿真设计,哈工大主要负责材料的制备。该材料的成功研制,颠覆性地提高了现有复合材料的性能水平,为纳米增强复合材料技术研究开辟了新的途径,为未来航空航天飞行器轻质化设计奠定了材料基础。


可以看出,这是一种典型的三元复合材料,其中石墨烯海绵相当于骨骼,碳纤维相当于肌肉纤维,而树脂则相当于结缔组织。从显微图可以看出,这种材料的结构是在三维尺度上纵横交错高度融合的,因此它拥有比碳纤维复合材料更好的力学和理化性能是应有之义。

这种材料目前的问题是产业化,因为如何以量产的规模和效率实现石墨烯海绵的高质量三维生长及其与碳纤维-树脂复合材料的高度融合,对于任何一个国家来说都是极大的挑战,因此这种材料的小批量应用可能很快就会开始,但是真正实现产业化还有一段较长的路要走。另外这种材料的生产工艺特殊,成本高昂,因此在可预见的将来并无民用化的可能性。而且说实话民用的场合不需要,也用不起。

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