NASA测试基于碳纳米管纤维的复合材料储罐

作者:本刊编译 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2017-07-03
掌握“控制纳米级物质的复杂性”,是应用纳米技术以使工业过程受益的革命性探索的一部分。这种技术的关键要素是对碳纳米管的应用。

碳纳米管是直径0.7~50纳米、长度一般在几十微米的小型空心管,这种超小的碳纳米管,提供了一流的性能。比如,可以制造出超高强度但依然非常轻的材料。其强度可以达到钢的200倍,弹性可以达到钢的5倍,而且具有高效的导电性和导热性。

降低重量,提高性能

正因如此,美国国家航空航天局(简称“NASA”)空间技术任务指挥部(简称“STMD”)对纳米技术表现出了极大的兴趣,将其作为降低航天系统重量、提高性能的方法。

比如,NASA的计算机模拟分析显示,采用碳纳米管增强的复合材料,可使运载火箭的总体重量降低30%。

“没有哪一项技术能够为大幅降低运载火箭的重量带来如此大的影响。” NASA格林研究中心(俄亥俄州克力夫兰)负责轻量化材料和制造的程序单元经理Michael Meador表示,“我不想陈词滥调,但这是游戏规则的改变者。”

美国国家航空航天局(简称“NASA”)空间技术任务指挥部(简称“STMD”)对纳米技术表现出了极大的兴趣,将其作为降低航天系统重量、提高性能的方法

飞行试验

不久将进入飞行的硬件,将测试出基于碳纳米管纤维的复合材料储罐的拉伸性能要优于传统环氧碳纤维复合材料的拉伸性能。

“我们将复合材料压力容器(简称“COPV”)作为冷气体推进系统的一部分。” Meador解释道,这包括在飞行过程中移动火箭的有效载荷,以及在下降到地球的过程中增加有效载荷以改善火箭的空气动力性能。“虽然这只是负载试验中的一个,但却是一次开创性的飞行。这是应用了碳纳米管复合材料的结构部件第一次经历飞行试验。”

不久将进入飞行的硬件,将测试出基于碳纳米管纤维的复合材料储罐的拉伸性能要优于传统环氧碳纤维复合材料的拉伸性能

NASA的产业合作

COPV 项目涉及到了NASA的几个中心:格林研究中心、兰利研究中心和马歇尔太空飞行中心,以及工业领域的合作伙伴。

NASA与位于美国新罕布什尔州梅里马克的Nanocomp 公司合作,制造纳米管纱线和布,并采用NASA开发的专用的加工方法来制造COPVs。

“我们感兴趣的不仅是采用碳纳米管纱线来开发高强度的复合材料,而且还要通过建造实际的部件以及对其进行飞行试验来证明材料的性能。” Meador补充道, “COPV飞行试验将在长期中表明这些材料准备用于未来的NASA任务。”

碳纳米管纱线

COPV的亚轨道火箭飞行是第一步。作为NASA兰利研究中心(美国弗吉尼亚州汉普顿)的一名材料研究工程师,Emilie Siochi解释道,“这种COPV 是我们将纳米管纱线转变成复合材料后建造的第一个大型项目。在最一开始的时候,可用的碳纳米管纤维材料只有少数,这需要发生变化。”

碳纳米管纱线

“我们必须改善性能,提高质量和数量。” Siochi指出,“NASA与工业领域的合作,对于扩大这种材料在航天局的应用发挥了无价的作用,而且COPV的飞行试验也有助于让技术更加成熟。”

“作为目前结构材料的最新进展,比碳纤维复合材料强得多的碳纳米管的结构特性显示出了更大的潜力。” Siochi 说道,“所以,如果它更强,我们将能够建造更轻的空间结构。”

投资收益

Meador看到了碳纳米管材料光明而持久的未来。

“当我们第一次开始进入纳米技术研究领域时,我们考虑的是NASA 投资的意义何在?哪里能获得更大的收益?是在减重方面?提高性能方面?还是降低功耗方面?” Meador回忆说。

在提高材料的力学性能,以及批量生产纱线纤维以使其能与传统碳纤维竞争方面,还有更多的工作要做。

“碳纳米管材料不仅能为航天领域带来巨大的回报。” Meador观察到,“而且能够减轻地面运输车辆的重量,从而节省燃油消耗,并减少二氧化碳的排放。同样,飞机制造是另一个值得关注的领域。”

“我们没有看到一种神奇的材料,相反,我们发现,当你进入纳米尺度,这个级别的材料所具有的一定特性,是你在此以上的材料中所看不到的一些新的特性和新的物理特征。”Meador总结道,“这就是所有的一切,就看你如何控制和利用这些特性。”

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