纳米资源在航空业的运用范文

本文作者：潘一鸣单位：纳米桥亚洲

材料的重量、强度和安全性是影响现代航空器结构设计的重要因素。新型的多功能纳米材料为设计下一代更轻、更可靠的飞机提供了解决方案。

Nanoledge公司从事研究和生产含有碳纳米结构热固性树脂，致力于展示传统材料所不具备的新型复合材料的性能。公司生产的加入了碳纳米管的NanoIn®树脂，广泛应用于航空航天、风力发电和运动产品领域。

碳纳米管NanoIn®综合解决方案

当前，碳纳米管对航空领域中的应用来说有着卓越的性能并有着多种应用方向。在未加工的状态，由于它们有巨大的表面积，这些粒子自身有着强烈互相作用的趋势，从而形成巨大而坚实的凝聚物。为了使这些新产品的整体性能发挥最大优势，碳纳米管在基体中的扩散以及和基体的交互作用是粒子成功融合的关键。多数时候，传统的分散和混合技术不足以在宏观范围内体现纳米管的特性。

NanoIn®碳纳米管综合技术

在过去的5年里，Nanoledge已经发展了把碳纳米管融合到聚合材料并且转移其固有特性到基体里的方法。未加工的碳纳米管不能与标准材料兼容，并且碳纳米管之间的交互作用会导致其凝聚成团。因此，只添加了碳纳米管和聚合材料的混合物的性能比没有任何添加剂的聚合物的性能高不了多少（有时甚至更低）。NanoIn®技术的主要目标就是在碳纳米管的基础上生产出高性能多功能的材料。这项技术主要有3个内容：

1功能

为了补偿碳纳米管的化学惰性，必须经过2个步骤来修改它们的表面性质，从而使它们能在聚合物的基体里更好地分散。

（1）第一步：激活。

采取第一步是为了形成一个碳纳米管/KEY1复合体。KEY1是用来把表面性质转换到碳纳米管上的激活剂。由于KEY1和碳纳米管之间缺乏共价连接，因此碳纳米管的晶体结构被保留。这个被吸附的分子（KEY1）被设计为符合从大量分子中选出的第二个成分（KEY2）。

（2）第二步：增容作用。

如图所示，第二个成分KEY2用来加强被激活的含有碳纳米管的基体的兼容性。KEY2作为一个共聚物中的成分，显示了良好的扩散和润湿性。KEY2被叫做增容剂，它与KEY1有力结合，位于碳纳米管的表面。KEY1和KEY2的结合在改进过的碳纳米管表面产生了高效的增容作用。

2分散

由于物理交互作用，产生的碳纳米管通常粘在一起形成团聚状态。这种现象导致碳纳米管易受影响的表面区域急剧减少。为了使它们最有用的性能集中到主材料上，碳纳米管必须被均匀地分散到后者里面；即团聚状态必须被破坏并且碳纳米管之间的相互吸引作用必须被补偿。稳定的碳纳米管分散状态可以通过两种方法获得（：1）采用机械手段减少聚团大小（；2）添加特殊的分散剂来阻止碳纳米管重新团聚。

3适应处理

这项技术被称为“适应处理”是因为在材料性能改进的同时，NanoIn并不想改变消费者的使用过程。技术必须适应过程而不是与之对立。这就是为什么基于Nanoledge的配方能够被调节并融于消费过程之中的原因。

Nano配方

Nanoledge参考了大量关于碳纳米管的知识以便找出最适合顾客应用的产品类型。例如，Nanoledge鉴定了所有可获得的碳素纳米管类型，用以确定最适合于电子或机械方面应用的产品。

另外，生产碳纳米管产品的过程必须符合操作程序。为了达到这些要求，Nanoledge正确地融合KEY1、KEY2以及基体树脂以能够制造最方便客户使用的产品是有可能的。这个生产技巧使得NanoIn技术能够渗透到多个生产工序之中，从而保证了最终产品的质量。

综合这些碳纳米管的探索过程所得出的结论，最符合制造程序的是Nano配方。Nano配方技术是让碳纳米管成功融入复合材料的关键所在。这是Nanoledge的核心技术，同时也是Nanoledge系列产品的本质价值之一。

基于这项技术，NanoLedge开发了一系列适用于工业应用的热固性树脂。目前，整套产品现在已经可以通过商业渠道获得。这个系列产品被称为NanoIn®base系列产品。

NanoIn®base基于母料（高密度）的原则设计，当把新产品应用于传统配方时，可通过替换配方中的部分树脂来实现，而不会改变处理工序。由于NanoIn®base的出现，使得把NanoIn®技术融入到配方系统中成为了可能。

产品的材料包括4种树脂基体：

Base1：液体双酚A树脂，含3%的碳素纳米管，是通用的产品。

Base2：半液体状态双酚A树脂，含2%的碳素纳米管。

Base3：双酚F树脂，含3%碳素纳米管。

Base4：TGMDA树脂，含2%碳素纳米管，符合航空材料市场的耐热配方需求。

所有这些产品都可以根据上文提到的Nano配方的原则进行调整，以满足顾客的需求。

NanoIn®技术在航空应用中的优势

碳纳米管综合NanoIn®技术可以为航空工业对新特性和新材料的探索提供解决方案。

碳纳米管是可以加入其中来体现多功能优势的增韧剂，材料的坚韧性与良好的传导性相结合，使它更适合取代传统材料。

由于这样的材料更轻便，因此它们对结构的整体减重有很大的贡献。同时可以改善其机械性能。这些特点可以用于设计新型结构。

飞机结构减重的另一个方面是可以使用NanoIn。在达到相同强度的同时，厚度的减少能够使飞机更加轻巧。而军用飞机也能够使用碳纳米管增强材料制造机翼结构、框架和舱体。由于这些材料能够承受更大的冲击，因而可以被用于设计更加耐用的结构。

作为使用NanoIn技术整合碳纳米管结构的一个附加优点，重量的减轻使得飞机拥有了更低的燃料消耗或更多的乘客空间，对达到环保的要求起到了很大的作用。

结论

本文展示了NanoIn®环氧树脂和复合材料的优势。这些优势对航空工业有着非常大的影响并且能够切实提高传统材料的性能。

材料性能的提高可以直接转换为重量的减轻，安全性的增加可以使飞机有更长的使用寿命。

这些材料的使用几年前还停留在理论研究的阶段，而如今已经通过NanoIn®技术变成了事实。

目前，为了得到强度大、韧性好的材料，使用了很多密度较大的基体材料，一些设计师甚至使用橡胶这样的填充剂来得到更坚韧的材料。这些材料有许多缺点，比如重量或者由于水份侵蚀引起的性能降低、模量损失。

NanoIn®技术所提供的材料能够从机械性能方面克服这些缺点：抗冲击性提高25％，抗挤压能力提高25％，耐疲劳性提高250%，抗裂纹扩展能力提高30％。使用了NanoIn®技术的碳纳米管填充树脂是提高复合材料机械性能的首选材料。NanoIn®技术通过添加碳纳米管使设计一种符合航空工业各种需求的材料成为可能。通过NanoIn®添加这些碳纳米管所取得的进步是显而易见的，它可能也会对研究其他领域产生一定的影响。

碳纳米管材料今天通过NanoIn®技术成为了现实，但是对其性能的研究仍然需要继续探索。