無容置疑，無論是在理論上、還是在顯微鏡下或在實驗室中，碳納米管(CNTs)都具有極好的物理特性：無可匹敵的拉伸強度和彈性模量、低密度、高比強度、巨大的曲面面積、高傳導性及驚人的長徑比。目前還沒有發(fā)現(xiàn)哪種材料比碳納米管(CNTs)具有更好的強度重量比。碳納米管在不久的將來會應用在復合材料零部件及結(jié)構(gòu)中的承諾由來已久。碳納米管(CNTs)的支持者大肆宣揚碳納米管會成為下一個具有重大影響力的事物，并會存在十年或者更長一段時間。通常情況下，此類事物是各類會議的熱門話題，然而遺憾的是，碳納米管（CNTs）至今還未完全迎來其應用的黃金時段。
一路走來，碳納米管（CNTs）并沒有失去其作為一種超級纖維的光彩。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，在過去的幾年里，碳納米管（CNTs）最終還是從實驗室轉(zhuǎn)移到了商業(yè)樹脂及纖維系統(tǒng)中。碳納米管早期取得的成績還是非常有希望的。顯而易見復合材料行業(yè)對碳納米管的研究才剛剛開始如碳納米管（CNTs）可以用來做什么，以及如何將碳納米管（CNTs）與復合材料零部件結(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/樹脂體系結(jié)合在一起以及未來幾年會用到碳納米管（CNTs）增強復合材料產(chǎn)品的行業(yè)加以分析。
碳納米管（CNTs）簡介：
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)直徑的萬分之一。碳納米管長可達幾萬納米，因此具有非同尋常的長徑比（最大可達到10,000:1），這也是影響其性能的一個關鍵因素。對復合材料產(chǎn)品而言，最常見的是單壁碳納米管（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）的直徑相對會稍微大一些，為8-10納米。與多壁碳納米管（MWCNT）相比，單壁碳納米管（SWCNT）具有更強的導電性能，不過其價格相對而言也更高，且不易加工。因此，目前復合材料零部件應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度是鋼強度的10倍到100倍。如此高的強度來自碳納米管晶格結(jié)構(gòu)中碳原子之間強勁的化學鍵。通常情況下，多壁碳納米管（MWCNT）的模數(shù)是1.0 TPa，抗張強度約為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）具有很強的導電性，電流密度可達到4 x 109 A/cm2，比銅的導電性強1000倍。
碳納米管（CNTs）還是一種極好的導熱體，被認為是制造高熱環(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多家碳納米管供應商。然而，僅有很小一部分相對比較大的生產(chǎn)商在復合材料行業(yè)占有比較重的份量：拜耳（Bayer） 材料科技公司（位于美國匹茲堡和德國Leverkusen）在德國以Baytubes商標生產(chǎn)碳納米管（CNTs）。阿科瑪公司（位于美國普魯士）生產(chǎn)Graphistrength碳納米管（CNTs）。Nanocyl（位于比利時Sambreville ）主要經(jīng)營商標號為NC7000的碳納米管（CNTs）。
MWCNTs. 拜耳（Bayer）公司Baytubes系列產(chǎn)品的業(yè)務開發(fā)經(jīng)理Joe Ventura說：“目前，拜耳（Bayer）公司位于德國的一個小型實驗工廠多壁碳納米管（MWCNT）的年產(chǎn)量為60噸。另外一個位于德國的工廠預期會在今年開始運作，這樣一來拜耳（Bayer）公司的年生產(chǎn)能力就會增加200噸。”目前，阿科瑪公（Arkema）正在經(jīng)營一個年生產(chǎn)能力為20噸的小型實驗工廠。該公司在2009年9月宣布將在法國Mont建造一個年生產(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)性復合材料市場銷售部經(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月之前新增一個用以生產(chǎn)多壁碳納米（MWCNT）的400噸的反應堆。
這些制造商將碳納米管（CNTs）推向復合材料市場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）出售給樹脂工程公司及復合材料制造商，然后由這些公司將碳納米管結(jié)合在復合材料結(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、以水為基礎的系統(tǒng)、原粉及碳纖維預浸材料融合為一體。
功能化這一途徑架起了原始碳納米管（CNTs）與碳納米管作為樹脂系統(tǒng)中一個集成完好的部件之間的橋梁，使含有碳納米管的樹脂系統(tǒng)可以在復合材料中表現(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。因為碳納米管（CNTs）具有機械強度和導電性，如果不能正確地與樹脂/纖維系統(tǒng)組合在一起，那么就會擾亂這些系統(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）的附聚就成了使復合材料達到最佳機械性能、熱性能及電性能的關鍵。拜耳（Bayer）公司的Ventura注意到：在復合材料的樹脂制劑中添加1%的碳納米管，混合物的機械性能就會達到平衡狀態(tài)。但是，如果想要混合物擁有碳納米管(CNTs)的導電性能，通常則需要在工程樹脂中添加3%的碳納米管（CNTs）。Ventura還指出：在混合的過程中，即使碳納米管的含量非常低，它也能顯著地增加樹脂的粘度。由于種種原因，完成碳納米管在復合材料零部件中的結(jié)合及優(yōu)化所需的加工過程及材料工程專業(yè)技術，通常超出了復合材料零部件制造商現(xiàn)有的水平。因此，應用碳納米管的復合材料產(chǎn)品市場發(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計與碳納米管（CNTs）相結(jié)合的樹脂或樹脂/纖維系統(tǒng)。
位于美國俄亥俄州哥倫布的Zyvex性能材料公司(Zyvex Performance Materials)是最活躍的納米設計公司之一。該公司生產(chǎn)的碳纖維預浸材料、環(huán)氧樹脂及增強粘結(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)務經(jīng)理Russell Belden表示：我們所面臨的挑戰(zhàn)-將碳納米管（CNTs）與復合材料結(jié)合在一起，并非很容易就能實現(xiàn)，尤其是產(chǎn)品的粘度和附聚問題。Belden開玩笑說：“若在類似水的樹脂中添加3%的碳納米管，那么我們得到的將是‘花生醬’。”
目前，Zyvex公司在復合材料市場取得的最大成功就是公司生產(chǎn)的Arovex碳。據(jù)報道，與未添加碳納米管（CNTs）的同類預浸材料相比，該產(chǎn)品（Arovex碳）在硬度和強度上分別有30%到50%的提高。大多數(shù)機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：Zyvex公司還以技術服務的方式提供極好的碳納米管增強樹脂，通過這種方法，公司為客戶的特定產(chǎn)品制造樹脂。
Zyvex公司生產(chǎn)的預浸材料已在一些裝置中得以應用，其中最有名的是為美國海軍研制的名為Piranha的無人水面航行器（USV）。該航行器與其同類產(chǎn)品無人駕駛飛行器一樣，用來進行長距離無人海洋監(jiān)視。長15米，寬3.7米的無人水面航行器（USV）的航程是2，000英里。由于采用了碳納米管，空船的重量僅為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10，433公斤的情況下還可以正常運轉(zhuǎn)。
原始多壁碳納米管（MWCNTs）制造商Nanocyl公司也制造并銷售碳納米管增強樹脂及纖維系統(tǒng)。該公司向復合材料市場推出了三種產(chǎn)品系列：Epocyl環(huán)氧乙烯樹脂、Sizicyl醬料制劑及Pregcyl預浸材料。Nanocyl公司結(jié)構(gòu)復合材料市場銷售部經(jīng)理Thibaud Vaugien表示：Epocyl中含有碳納米管改良纖維，具有優(yōu)良的導電性能；Pregcyl則可用在碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維中，據(jù)報道Pregcyl預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%，同時層間拉剪強度也增加了15%。另外，Vaugien還說：Pregcyl預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：抗疲勞和抗裂紋擴展性）。Vaugien還聲稱:這些無需折衷的增強產(chǎn)品在復合材料領域是獨一無二的，只有添加碳納米管的產(chǎn)品才能實現(xiàn)如此優(yōu)良的性能。
Vaugien表示：Nanocyl公司產(chǎn)品的目標市場是航空航天領域中的應用裝置。通過與Compact Compositi公司的合作，Nanocyl公司進入了該市場。其它一些行業(yè)也在公司的目標市場范圍之內(nèi)如：汽車行業(yè)、導彈保護系統(tǒng)及風機葉片。另外，Nanocyl公司還與一家名為XPACE的臺灣公司合作制造創(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度，可以抵抗高沖擊強度。據(jù)報道說：Sizicyl產(chǎn)品最適合應用在反導彈裝置中。在防彈背心材料測試中，Nanocyl公司產(chǎn)品展示的強度性能有了10%到30%的提高。在風電方面，采用了Nanocyl公司產(chǎn)品的風機葉片，其循環(huán)疲勞降低了3倍。目前，Nanocyl公司正處在防雷擊風機葉片發(fā)展的初級階段。盡管Nanocyl公司不會公開其產(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電性能。Nanocyl公司還表示Pregcyl預浸材料的價格僅比類似未含碳納米管的碳纖維預浸材料高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，從此進入碳納米管增強環(huán)氧樹脂市場。Amroy Europe Oy公司由位于芬蘭的基拉大學納米科學中心發(fā)展而來。目前，該大學研發(fā)了一種新專利方法，即通過共價鍵將碳納米管（CNTs）附加在環(huán)氧樹脂分子上。該公司在市場上僅銷售樹脂系統(tǒng)，同時還同預浸材料制造商合作，攜手完成產(chǎn)品的整合過程。另外，Amroy Europe Oy公司還為產(chǎn)品的最終性能（如：防火性、傳導性）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)品主要應用在體育器材、海運業(yè)及風力發(fā)電市場。
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