碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料助力船舶和車(chē)輛發(fā)展

碳納米管由石墨烯片層卷曲而成，于1991年由日本科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)。Zyvex技術(shù)公司的總裁蘭斯·克里斯庫(kù)羅（Lance Criscuolo）解釋說(shuō)：“理論上來(lái)講，如果能將高強(qiáng)度的納米粒子復(fù)合到各種各樣的材料中，那么就能將納米材料的強(qiáng)韌特性注入到其它材料中。但事實(shí)并非如此。如果將碳納米管原料直接添加到復(fù)合材料中，碳納米管就會(huì)團(tuán)聚在一起，就像滿是面粉疙瘩的蛋糕糊一樣?！?/p>

▲ 使用碳納米管合成材料的船舶

許多研究人員正在研究使用碳納米管制造有用的復(fù)合材料的方法。而鑒于碳納米管的優(yōu)異性能，其在制造強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕的航天器方面存在巨大的應(yīng)用潛力。為了對(duì)碳納米管復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)用，NASA發(fā)布了多個(gè)招標(biāo)項(xiàng)目。NASA國(guó)際空間站研究規(guī)劃辦公室的負(fù)責(zé)人布拉德·法爾斯（Brad Files）解釋說(shuō)：“NASA正在通過(guò)種技術(shù)非常關(guān)鍵。在NASA的支持下，我們實(shí)現(xiàn)了碳納米管的功能化，并利用其與基體的良好相容性獲得了更好的材料性能。這些項(xiàng)目支持，以及后續(xù)美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）的資助，對(duì)于Zyvex公司開(kāi)發(fā)碳納米管應(yīng)用技術(shù)并進(jìn)行推廣提供了重要的支撐。”2007年，Zyvex公司進(jìn)行重組調(diào)整，分拆為3家獨(dú)立的公司，Zyvex實(shí)驗(yàn)室有限責(zé)任公司就是其中之一。

通常，材料的剛性與韌性是一對(duì)矛盾體：剛性很強(qiáng)的材料往往易碎，比如玻璃，而彈性較高的材料往往剛性不足，比如橡膠。但是，采用碳納米管增強(qiáng)的樹(shù)脂可顯著提高碳纖維復(fù)合材料的韌性，而不會(huì)降低其強(qiáng)度，甚至還能夠提高其剛性。在樹(shù)脂中加入碳納米管有助于提高材料的抗磨損性，延長(zhǎng)材料表面的磨損壽命，還有助于將能量轉(zhuǎn)移到強(qiáng)度更高的纖維上，提高其斷裂韌性。蘭斯·克里斯庫(kù)羅解釋說(shuō)：“這些又長(zhǎng)又薄的微小碳納米管隨機(jī)分散在樹(shù)脂中。當(dāng)復(fù)合材料出現(xiàn)裂紋時(shí)，裂紋總會(huì)沿著最小阻力的方向擴(kuò)展。而碳納米管的存在，延長(zhǎng)了其裂紋的擴(kuò)展路徑，從而提高了復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度?！?/p>

在SBIR計(jì)劃項(xiàng)目合同完成之后，Zyvex公司幾乎立刻就在體育用品制造商中找到了客戶。由于碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料兼具優(yōu)異的韌性、強(qiáng)度、輕質(zhì)等特性，因此，吸引了棒球球棒和自行車(chē)的生小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃征集不同的碳納米管應(yīng)用方法。其中一項(xiàng)投標(biāo)書(shū)來(lái)自Zyvex技術(shù)公司?！?/p>

2003年～2006年間，NASA和Zyvex技術(shù)公司共簽訂了4份SBIR計(jì)劃項(xiàng)目合同。前2份合同研究的重點(diǎn)是如何將碳納米管復(fù)合到功能材料中，后2份合同關(guān)注如何利用這種碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料開(kāi)發(fā)一種輕質(zhì)的輻射屏蔽材料。Zyvex技術(shù)公司的研究人員設(shè)計(jì)了一種聚合物，其能夠?qū)μ技{米管進(jìn)行改性，使其均勻地分散在樹(shù)脂中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維編織材料的增強(qiáng)。通過(guò)與NASA合作，Zyvex技術(shù)公司研發(fā)出了使高濃度碳納米管在環(huán)氧樹(shù)脂等樹(shù)脂中具有優(yōu)異分散效果的技術(shù)，促進(jìn)了碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用。

Zyvex實(shí)驗(yàn)室有限責(zé)任公司的總裁約翰·蘭德?tīng)枏?qiáng)調(diào)：“NASA的資助對(duì)于Zyvex公司成功開(kāi)發(fā)這產(chǎn)商（這一技術(shù)轉(zhuǎn)移案例刊登在《Spinoff 2007》報(bào)告中）。

▲ 使用碳納米管復(fù)合材料的車(chē)輛制品

從那時(shí)起，Zyvex公司大力投入建設(shè)其產(chǎn)品生產(chǎn)線。目前，Zyvex公司可提供6種不同配方的碳納米管添加劑，產(chǎn)品名稱為ZNT，可根據(jù)客戶的需求添加到不同的樹(shù)脂中。此外，Zyvex公司也生產(chǎn)復(fù)合材料，產(chǎn)品名稱為Arovex，這種復(fù)合材料由預(yù)處理的碳纖維、玻璃纖維和其它材料，以及添加了碳納米管的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合而成。

盡管部分行業(yè)，如航空航天和海洋工程領(lǐng)域，在新材料的應(yīng)用方面較為謹(jǐn)慎，但這些領(lǐng)域的客戶也表現(xiàn)出了對(duì)這種復(fù)合材料的興趣。約翰·蘭德?tīng)栒f(shuō)：“一種新的結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證，特別是在航空航天領(lǐng)域。但這是可以理解的，因?yàn)閷⒁环N主要結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用到攜帶乘客飛行的飛行器上，涉及乘客的生命安全，必須非常慎重?！?/p>

Zyvex公司的其中一家客戶正在將這種復(fù)合材料應(yīng)用于船舶?？考装濉＿@些甲板允許較小的船舶駛?cè)肫渲?，其?？繀^(qū)要求具有較高的強(qiáng)度和韌性，因?yàn)楫?dāng)小型船舶到達(dá)時(shí)，其螺旋槳仍在旋轉(zhuǎn)，可能會(huì)撞壞其它船舶的甲板。該客戶采用了Zyvex公司的復(fù)合材料，在不增加重量的情況下提高了材料的強(qiáng)度和韌性，而不是通過(guò)增加船舶底部復(fù)合材料的厚度和重量。

蘭斯·克里斯庫(kù)羅說(shuō)：“Zyvex公司也在采用與在NASA項(xiàng)目支持下開(kāi)發(fā)的相同的技術(shù)，將碳納米管引入橡膠及其它柔性材料中，應(yīng)用于輪胎、密封圈、墊圈，以及O形圈等。此外，Zyvex公司還將其轉(zhuǎn)移應(yīng)用于熱塑性材料中，研究其在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用?！崩?，在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的許可下，Zyvex公司與一家醫(yī)療器械公司合作，采用碳納米管復(fù)合材料開(kāi)發(fā)了一種用于插入動(dòng)脈的氣囊導(dǎo)管，以幫助清除血管中的堵塞物質(zhì)。碳納米管能夠提高氣囊導(dǎo)管的抗破裂強(qiáng)度，因?yàn)檫@些導(dǎo)管的管壁非常薄。他表示：“與NASA的合作加速了Zyvex公司進(jìn)入碳納米管商業(yè)應(yīng)用的能力，大幅縮短了相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間周期。”

布拉德·法爾斯說(shuō)：“雖然這種碳納米管復(fù)合材料技術(shù)未能立即在NASA的航天項(xiàng)目中獲得應(yīng)用，但是，從NASA的角度來(lái)看，此次合作是非常成功的。將該技術(shù)轉(zhuǎn)移應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域是非常重要的。在納米技術(shù)發(fā)展的早期階段，各行各業(yè)都在積極推動(dòng)其發(fā)展。我們并不知道那些技術(shù)可為NASA服務(wù)，哪些技術(shù)可為工業(yè)部門(mén)或其他政府部門(mén)服務(wù)。Zyvex公司能夠在NASA的支持下對(duì)納米技術(shù)進(jìn)行研究，并將研究成果應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。NASA則一直在尋找并開(kāi)發(fā)這種類(lèi)型的技術(shù)。” (唐 甜)

▲ 碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖