無(wú)容置疑，無(wú)論是在理論上、還是在顯微鏡下或在實(shí)驗(yàn)室中，碳納米管(CNTs)都具有極好的物理特性：無(wú)可匹敵的拉伸強(qiáng)度和彈性模量、低密度、高比強(qiáng)度、巨大的曲面面積、高傳導(dǎo)性及驚人的長(zhǎng)徑比。目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)哪種材料比碳納米管(CNTs)具有更好的強(qiáng)度重量比。碳納米管在不久的將來(lái)會(huì)應(yīng)用在復(fù)合材料零部件及結(jié)構(gòu)中的承諾由來(lái)已久。碳納米管(CNTs)的支持者大肆宣揚(yáng)碳納米管會(huì)成為下一個(gè)具有重大影響力的事物，并會(huì)存在十年或者更長(zhǎng)一段時(shí)間。通常情況下，此類事物是各類會(huì)議的熱門話題，然而遺憾的是，碳納米管（CNTs）至今還未完全迎來(lái)其應(yīng)用的黃金時(shí)段。
一路走來(lái)，碳納米管（CNTs）并沒(méi)有失去其作為一種超級(jí)纖維的光彩。它可以做碳纖維能做的任何事情，而且比碳纖維做得更多、做得更好。憑借這種經(jīng)久不衰的魅力，在過(guò)去的幾年里，碳納米管（CNTs）最終還是從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到了商業(yè)樹(shù)脂及纖維系統(tǒng)中。碳納米管早期取得的成績(jī)還是非常有希望的。顯而易見(jiàn)復(fù)合材料行業(yè)對(duì)碳納米管的研究才剛剛開(kāi)始如碳納米管（CNTs）可以用來(lái)做什么，以及如何將碳納米管（CNTs）與復(fù)合材料零部件結(jié)合在一起。 在這里，我們就碳納米管（CNTs）制造業(yè)的現(xiàn)狀，如何將碳納米管（CNTs）與碳纖維/樹(shù)脂體系結(jié)合在一起以及未來(lái)幾年會(huì)用到碳納米管（CNTs）增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品的行業(yè)加以分析。
碳納米管（CNTs）簡(jiǎn)介：
碳納米管是一種晶格結(jié)構(gòu)，由石墨網(wǎng)格薄膜卷繞而成。這一管狀結(jié)構(gòu)的直徑為1-3納米，大約是人頭發(fā)直徑的萬(wàn)分之一。碳納米管長(zhǎng)可達(dá)幾萬(wàn)納米，因此具有非同尋常的長(zhǎng)徑比（最大可達(dá)到10,000:1），這也是影響其性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品而言，最常見(jiàn)的是單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）. 顧名思義，單壁碳納米管（SWCNT）就是由一層管結(jié)構(gòu)組成。而多壁碳納米管（MWCNT）則含有兩層或多層管狀結(jié)構(gòu)，且直徑在碳納米管內(nèi)逐漸變大。由于這一原因，多壁碳納米管（MWCNT）的直徑相對(duì)會(huì)稍微大一些，為8-10納米。與多壁碳納米管（MWCNT）相比，單壁碳納米管（SWCNT）具有更強(qiáng)的導(dǎo)電性能，不過(guò)其價(jià)格相對(duì)而言也更高，且不易加工。因此，目前復(fù)合材料零部件應(yīng)用的比較多的還是多壁碳納米（MWCNT）。
每單位重量碳納米管的強(qiáng)度是鋼強(qiáng)度的10倍到100倍。如此高的強(qiáng)度來(lái)自碳納米管晶格結(jié)構(gòu)中碳原子之間強(qiáng)勁的化學(xué)鍵。通常情況下，多壁碳納米管（MWCNT）的模數(shù)是1.0 TPa，抗張強(qiáng)度約為10 GPa到60GPa（比不銹鋼高3 GPa）。這一晶格結(jié)構(gòu)使碳納米管（CNTs）具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，電流密度可達(dá)到4 x 109 A/cm2，比銅的導(dǎo)電性強(qiáng)1000倍。
碳納米管（CNTs）還是一種極好的導(dǎo)熱體，被認(rèn)為是制造高熱環(huán)境操作工具的一種良好的候選材料。最終，碳納米管（CNTs）以其優(yōu)良的裂紋擴(kuò)展抗力而聞名。在很多情況下，碳納米管可以彌合結(jié)構(gòu)中的裂痕，從而保持結(jié)構(gòu)的完整性。
碳納米管生產(chǎn)商及優(yōu)化工藝
目前，在全球范圍內(nèi)共有40多家碳納米管供應(yīng)商。然而，僅有很小一部分相對(duì)比較大的生產(chǎn)商在復(fù)合材料行業(yè)占有比較重的份量：拜耳（Bayer） 材料科技公司（位于美國(guó)匹茲堡和德國(guó)Leverkusen）在德國(guó)以Baytubes商標(biāo)生產(chǎn)碳納米管（CNTs）。阿科瑪公司（位于美國(guó)普魯士）生產(chǎn)Graphistrength碳納米管（CNTs）。Nanocyl（位于比利時(shí)Sambreville ）主要經(jīng)營(yíng)商標(biāo)號(hào)為NC7000的碳納米管（CNTs）。
MWCNTs. 拜耳（Bayer）公司Baytubes系列產(chǎn)品的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Joe Ventura說(shuō)：“目前，拜耳（Bayer）公司位于德國(guó)的一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)工廠多壁碳納米管（MWCNT）的年產(chǎn)量為60噸。另外一個(gè)位于德國(guó)的工廠預(yù)期會(huì)在今年開(kāi)始運(yùn)作，這樣一來(lái)拜耳（Bayer）公司的年生產(chǎn)能力就會(huì)增加200噸。”目前，阿科瑪公（Arkema）正在經(jīng)營(yíng)一個(gè)年生產(chǎn)能力為20噸的小型實(shí)驗(yàn)工廠。該公司在2009年9月宣布將在法國(guó)Mont建造一個(gè)年生產(chǎn)力為400噸的工廠，且完全采用生物原材料（乙醇）。
Nanocyl公司結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料市場(chǎng)銷售部經(jīng)理Thibaud Vaugien表示：Nanocyl公司每年可生產(chǎn)60噸的多壁碳納米管（MWCNT），并且在2009年12月宣布將于2010年7月之前新增一個(gè)用以生產(chǎn)多壁碳納米（MWCNT）的400噸的反應(yīng)堆。
這些制造商將碳納米管（CNTs）推向復(fù)合材料市場(chǎng)所采取的措施各不相同。拜耳（Bayer）公司將其生產(chǎn)的多壁碳納米管（MWCNT）出售給樹(shù)脂工程公司及復(fù)合材料制造商，然后由這些公司將碳納米管結(jié)合在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中。阿科瑪公司（Arkema）生產(chǎn)含碳納米管（CNTs）的熱塑性母體混合物產(chǎn)品。相比之下，Nanocyl公司則將其生產(chǎn)的碳納米管（CNTs）與熱塑性和熱固性母體混物、以水為基礎(chǔ)的系統(tǒng)、原粉及碳纖維預(yù)浸材料融合為一體。
功能化這一途徑架起了原始碳納米管（CNTs）與碳納米管作為樹(shù)脂系統(tǒng)中一個(gè)集成完好的部件之間的橋梁，使含有碳納米管的樹(shù)脂系統(tǒng)可以在復(fù)合材料中表現(xiàn)出良好的性能。然而這兩者之間的缺口并不是那么容易就可以彌合的。因?yàn)樘技{米管（CNTs）具有機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性，如果不能正確地與樹(shù)脂/纖維系統(tǒng)組合在一起，那么就會(huì)擾亂這些系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，碳納米管（CNTs）不能自然的混合并分散到水或溶劑中。因此，消除碳納米管（CNTs）的附聚就成了使復(fù)合材料達(dá)到最佳機(jī)械性能、熱性能及電性能的關(guān)鍵。拜耳（Bayer）公司的Ventura注意到：在復(fù)合材料的樹(shù)脂制劑中添加1%的碳納米管，混合物的機(jī)械性能就會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)。但是，如果想要混合物擁有碳納米管(CNTs)的導(dǎo)電性能，通常則需要在工程樹(shù)脂中添加3%的碳納米管（CNTs）。Ventura還指出：在混合的過(guò)程中，即使碳納米管的含量非常低，它也能顯著地增加樹(shù)脂的粘度。由于種種原因，完成碳納米管在復(fù)合材料零部件中的結(jié)合及優(yōu)化所需的加工過(guò)程及材料工程專業(yè)技術(shù)，通常超出了復(fù)合材料零部件制造商現(xiàn)有的水平。因此，應(yīng)用碳納米管的復(fù)合材料產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)展成了一種雙層供給結(jié)構(gòu)：供貨商主要將精力集中在制造原始碳納米管（CNTs），而一些專家則集中精力設(shè)計(jì)與碳納米管（CNTs）相結(jié)合的樹(shù)脂或樹(shù)脂/纖維系統(tǒng)。
位于美國(guó)俄亥俄州哥倫布的Zyvex性能材料公司(Zyvex Performance Materials)是最活躍的納米設(shè)計(jì)公司之一。該公司生產(chǎn)的碳纖維預(yù)浸材料、環(huán)氧樹(shù)脂及增強(qiáng)粘結(jié)劑均含有阿科瑪（Arkema）公司生產(chǎn)的碳納米管（CNTs）。Zyvex公司的全球業(yè)務(wù)經(jīng)理Russell Belden表示：我們所面臨的挑戰(zhàn)-將碳納米管（CNTs）與復(fù)合材料結(jié)合在一起，并非很容易就能實(shí)現(xiàn)，尤其是產(chǎn)品的粘度和附聚問(wèn)題。Belden開(kāi)玩笑說(shuō)：“若在類似水的樹(shù)脂中添加3%的碳納米管，那么我們得到的將是‘花生醬’。”
目前，Zyvex公司在復(fù)合材料市場(chǎng)取得的最大成功就是公司生產(chǎn)的Arovex碳。據(jù)報(bào)道，與未添加碳納米管（CNTs）的同類預(yù)浸材料相比，該產(chǎn)品（Arovex碳）在硬度和強(qiáng)度上分別有30%到50%的提高。大多數(shù)機(jī)織物和一些單向性纖維都采用了這種產(chǎn)品。最近，Zyvex公司推出了Epovex和Nanosolve。Epovex是一種碳納米管增強(qiáng)粘結(jié)劑，而Nanosolve則是一種分散制劑，用以幫助使用者將碳納米管（CNTs）與水基或溶劑基聚合物系統(tǒng)結(jié)合為一體。Belden說(shuō)：Zyvex公司還以技術(shù)服務(wù)的方式提供極好的碳納米管增強(qiáng)樹(shù)脂，通過(guò)這種方法，公司為客戶的特定產(chǎn)品制造樹(shù)脂。
Zyvex公司生產(chǎn)的預(yù)浸材料已在一些裝置中得以應(yīng)用，其中最有名的是為美國(guó)海軍研制的名為Piranha的無(wú)人水面航行器（USV）。該航行器與其同類產(chǎn)品無(wú)人駕駛飛行器一樣，用來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離無(wú)人海洋監(jiān)視。長(zhǎng)15米，寬3.7米的無(wú)人水面航行器（USV）的航程是2，000英里。由于采用了碳納米管，空船的重量?jī)H為3629公斤。另外該航行器還具有很高的額定載重量，在總重量高達(dá)10，433公斤的情況下還可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
原始多壁碳納米管（MWCNTs）制造商N(yùn)anocyl公司也制造并銷售碳納米管增強(qiáng)樹(shù)脂及纖維系統(tǒng)。該公司向復(fù)合材料市場(chǎng)推出了三種產(chǎn)品系列：Epocyl環(huán)氧乙烯樹(shù)脂、Sizicyl醬料制劑及Pregcyl預(yù)浸材料。Nanocyl公司結(jié)構(gòu)復(fù)合材料市場(chǎng)銷售部經(jīng)理Thibaud Vaugien表示：Epocyl中含有碳納米管改良纖維，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能；Pregcyl則可用在碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維中，據(jù)報(bào)道Pregcyl預(yù)浸材料所含有的碳納米管成分使最終零部件的韌性提高了100%，同時(shí)層間拉剪強(qiáng)度也增加了15%。另外，Vaugien還說(shuō)：Pregcyl預(yù)浸材料不僅保持了良好的玻璃化溫度（Tg），而且熱膨脹系數(shù)也減少了15%，另外還包括其它一些優(yōu)良性能（如：抗疲勞和抗裂紋擴(kuò)展性）。Vaugien還聲稱:這些無(wú)需折衷的增強(qiáng)產(chǎn)品在復(fù)合材料領(lǐng)域是獨(dú)一無(wú)二的，只有添加碳納米管的產(chǎn)品才能實(shí)現(xiàn)如此優(yōu)良的性能。
Vaugien表示：Nanocyl公司產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)是航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用裝置。通過(guò)與Compact Compositi公司的合作，Nanocyl公司進(jìn)入了該市場(chǎng)。其它一些行業(yè)也在公司的目標(biāo)市場(chǎng)范圍之內(nèi)如：汽車行業(yè)、導(dǎo)彈保護(hù)系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)葉片。另外，Nanocyl公司還與一家名為XPACE的臺(tái)灣公司合作制造創(chuàng)新型自行車輪轂。這種含有碳納米管的創(chuàng)新產(chǎn)品具有良好的抗扭強(qiáng)度，可以抵抗高沖擊強(qiáng)度。據(jù)報(bào)道說(shuō)：Sizicyl產(chǎn)品最適合應(yīng)用在反導(dǎo)彈裝置中。在防彈背心材料測(cè)試中，Nanocyl公司產(chǎn)品展示的強(qiáng)度性能有了10%到30%的提高。在風(fēng)電方面，采用了Nanocyl公司產(chǎn)品的風(fēng)機(jī)葉片，其循環(huán)疲勞降低了3倍。目前，Nanocyl公司正處在防雷擊風(fēng)機(jī)葉片發(fā)展的初級(jí)階段。盡管Nanocyl公司不會(huì)公開(kāi)其產(chǎn)品中碳納米管的含量，但銷售經(jīng)理Vaugien透露Nanocyl公司能夠使碳納米管含量減少到3%以下，從而使成品具有良好的導(dǎo)電性能。Nanocyl公司還表示Pregcyl預(yù)浸材料的價(jià)格僅比類似未含碳納米管的碳纖維預(yù)浸材料高7%。
Amroy Europe Oy位于芬蘭拉赫蒂，該公司于2006年推出了含有拜耳（Bayer）Baytubes 的Hybtonite產(chǎn)品，從此進(jìn)入碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂市場(chǎng)。Amroy Europe Oy公司由位于芬蘭的基拉大學(xué)納米科學(xué)中心發(fā)展而來(lái)。目前，該大學(xué)研發(fā)了一種新專利方法，即通過(guò)共價(jià)鍵將碳納米管（CNTs）附加在環(huán)氧樹(shù)脂分子上。該公司在市場(chǎng)上僅銷售樹(shù)脂系統(tǒng)，同時(shí)還同預(yù)浸材料制造商合作，攜手完成產(chǎn)品的整合過(guò)程。另外，Amroy Europe Oy公司還為產(chǎn)品的最終性能（如：防火性、傳導(dǎo)性）提供一系列Hybtonite變體及工藝流程，包括纖維纏繞成型、灌注成型、樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）及拉擠成型。Amroy Europe Oy公司的產(chǎn)品主要應(yīng)用在體育器材、海運(yùn)業(yè)及風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)。
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