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日前，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（簡稱蘇州納米所）正式與歐洲空客工程技術(shù)中心簽署合作協(xié)議，并宣布成立“航空納米材料聯(lián)合實(shí)驗室”。雙方將以市場化為方向，加快納米材料在大飛機(jī)上的應(yīng)用，這也是空客在納米領(lǐng)域首次與我國方面簽署的戰(zhàn)略合作。本文根據(jù)國內(nèi)外公開資料，分析其技術(shù)背景。
碳納米管材料是繼碳纖維，芳綸纖維，超高分子量聚乙烯纖維材料之后，近20年來工程技術(shù)人員又一寄以厚望的新一代高性能人工材料。理論計算及實(shí)驗結(jié)果表明， 碳納米管具有極為優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)及熱學(xué)等性能。從理論上講，其拉伸強(qiáng)度可高達(dá)100GPa，超過目前日本東麗公司T1000級碳纖維拉伸強(qiáng)度的10倍以上，是鋼的100倍，而密度只有鋼的六分之一，讓日方高度關(guān)注，專家總結(jié)了一句話：“史無前例”，作為世界碳纖維第一大國，日本東麗公司壟斷了高強(qiáng)度碳纖維的70%世界市場，這是第一種超過T1000級碳纖維的新型碳納米管材料技術(shù)。
由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，其電流強(qiáng)度比銅高出300倍以上，碳納米管是目前唯一有可能取代硅，并成為下一代微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料。在散熱性能方面， 碳納米管比目前室溫下最好的金剛石散熱片，導(dǎo)熱性能要高出3倍以上。由于碳在地球上廣泛存在于大氣、地殼和生物之中，其原料易得，因此高性能碳納米材料的制備與應(yīng)用成為近20多年來國際科學(xué)界最熱點(diǎn)的前沿研究之一。蘇州納米所于2009年7月成立后，在碳納米管新材料研究及應(yīng)用上取得了一系列重大成果而引起世人關(guān)注。在新一代戰(zhàn)斗機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)上，以碳纖維復(fù)合材料取代金屬、玻璃纖維來減輕重量是目前普遍的發(fā)展趨勢，但在實(shí)際使用過程中卻發(fā)現(xiàn)，碳纖維也有自身局限性，比如韌性較低，而飛機(jī)的機(jī)翼等部件卻恰恰要求具有良好的的韌性。
常坐飛機(jī)的朋友可以發(fā)現(xiàn)，民航客機(jī)在遇到強(qiáng)氣流時機(jī)翼韌性極好，彎曲變形幅度很大也不會折斷。據(jù)公開資料披露， 蘇州納米所研制的40微米厚（0.04毫米）的碳納米管薄膜嵌入到3.5毫米厚，140毫米長的碳纖維復(fù)合材料層壓板后，其彎曲韌性提高了40-60%，完全能夠滿足飛機(jī)設(shè)計師的力學(xué)性能要求。目前，碳纖維必須在浸入液體樹脂材料固化成型制成碳纖維復(fù)合材料后才能真正投入產(chǎn)品應(yīng)用，而一般固化工藝都是采用熱壓罐高溫成型。熱壓罐成型技術(shù)可以保證制品的質(zhì)量穩(wěn)定，力學(xué)性能可靠。我國為了生產(chǎn)空警2000預(yù)警機(jī)雷達(dá)天線整流罩，曾經(jīng)研制出了當(dāng)時亞洲最大的熱壓罐，確實(shí)投入了大量經(jīng)費(fèi)支持。
然而，在實(shí)際使用過程中，以熱壓罐成型方式制備的復(fù)合材料存在許多問題，例如：熱壓罐成型能耗非常大，能源利用率非常低；熱壓罐成型周期非常長，設(shè)備利用率低；對于大型的熱壓罐，壓力和溫度控制較難，升溫速度緩慢。這些缺陷的存在都大大增加了復(fù)合材料構(gòu)件的成本。同時，碳纖維在浸潤樹脂固化成型后與金屬材料相比，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能變差，因此不得不在碳纖維復(fù)合材料蒙皮中增加微型銅網(wǎng)，用以通電加熱除冰和疏散雷擊瞬時大電流，來應(yīng)對冰雪和雷電等惡劣天氣。熱壓罐成型制品難以滿足這樣的需求，而且微型銅網(wǎng)的引入無疑還會增加飛機(jī)的重量，使其消耗更多的燃料。
蘇州納米所研制的多孔碳納米管薄膜鋪于碳纖維和液體樹脂中間后，不需昂貴的熱壓罐高溫成型，僅需簡單的抽真空后通電自加熱就可成型，與傳統(tǒng)熱壓罐固化方式相比，碳納米管薄膜電加熱固化技術(shù)可將能耗和成型時間分別降低83.7%和28.9%，而與熱壓罐固化成型出來的復(fù)合材料具有相同的力學(xué)性能。而且固化完成后，碳納米管薄膜還可以作為碳纖維復(fù)合材料的組成部分使其具有優(yōu)異的導(dǎo)電發(fā)熱性能，用于除冰防雷，具有廣泛的應(yīng)用前景?？梢哉f，這是高性能碳纖維復(fù)合材料制造上一個里程碑的突破。
同時，碳納米管薄膜還具有優(yōu)秀的防彈性能，初步試驗表明，在高性能纖維防彈材料衣中嵌入蘇州納米所研制的碳納米管薄膜后，不僅防彈性能提高了10%左右，而且最重要的是其抗沖擊性能提高了21%。也就是說，原先防彈頭盔可能防住了子彈射穿，但子彈帶來的沖擊后效應(yīng)力很可能使頸椎折斷，對頭部造成非貫穿性損傷。而加入碳納米管薄膜的防彈頭盔則減少甚至避免了上述傷害。由于以上披露的碳納米管薄膜應(yīng)用公開資料性能表現(xiàn)十分理想，經(jīng)多次考察后，歐洲空客公司決定和蘇州納米所展開通力合作，并迅速形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化，來進(jìn)一步減輕飛機(jī)重量，提升飛機(jī)的安全性、舒適性。（來源：出鞘 作者：圖說軍事）
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