作者簡(jiǎn)介：
付耀耀，博士，中國(guó)科學(xué)院寧波材料所智庫(kù)中心主管，江廈智庫(kù)《中國(guó)新基建與5G智慧城市》課題組專(zhuān)家。
碳納米管復(fù)合材料及其在航天器中的應(yīng)用
（一）概述
傳統(tǒng)復(fù)合材料由于自身限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，高剛度和高韌性綜合為一體的飛行器要求，科學(xué)家開(kāi)始設(shè)想高強(qiáng)輕質(zhì)，高溫穩(wěn)定性，良好電學(xué)性能綜合為一體的多功能結(jié)構(gòu)成為新一代飛行器設(shè)計(jì)理念。在1991年，日本科學(xué)家Ijima明確提出碳納米管的結(jié)構(gòu)、形貌和制備工藝后，科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)碳納米管其獨(dú)特的優(yōu)異性能，特別是其突出的比強(qiáng)度和比剛度。尤其是良好的徑向穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性使碳納米管表現(xiàn)出良好的抗變形能力。單壁碳納米管的楊氏模量可達(dá)5TPa，其強(qiáng)度約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6。其楊氏模量和剪切模量與金剛石相同，多壁碳納米管的軸向楊氏模量實(shí)驗(yàn)值為200Gpa-4000Gpa。此外，碳納米管還具有極高的強(qiáng)度和韌性，其一般彈性應(yīng)變約為5%，最高可達(dá)12%，約為鋼的60倍左右。多壁碳納米管的軸向彎曲強(qiáng)度為14GPa，軸向壓縮強(qiáng)度為100GPa。碳納米管典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。因此，碳納米管被認(rèn)為是終極的增強(qiáng)纖維，有望成為高性能復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。例如碳納米管現(xiàn)在已經(jīng)可以大量生產(chǎn)，作為聚合物的增強(qiáng)材料。碳納米管已經(jīng)被成功應(yīng)用增強(qiáng)納米復(fù)合材料的性能。
比人的頭發(fā)小幾千倍的碳納米管結(jié)構(gòu)
納米管裝訂技術(shù)
到目前為止，人類(lèi)對(duì)碳納米管的認(rèn)識(shí)也是其全部潛力的一小部分。碳納米管的性能，特別是強(qiáng)度和電學(xué)性能，顯著區(qū)別于石墨纖維，而導(dǎo)致產(chǎn)生新類(lèi)型的復(fù)合材料。例如麻省理工學(xué)院的NECST聯(lián)合體研究的納米管裝訂技術(shù)，如圖5-2所示，其基本原理是通過(guò)在復(fù)合材料層間放置碳納米管，將復(fù)合材料鋪層更加牢固地固定在一起。這種技術(shù)可以使材料韌性提高10倍以上，而且還有助于提高結(jié)構(gòu)材料的隱身、防雷擊、防靜電及防電磁干擾性能。
（二）下一代航天器對(duì)材料的基本要求
未來(lái)航天飛行器的革命性設(shè)計(jì)理念將依靠非凡的材料性能，減少航天飛行器組成部分的重量和體積，提高氣動(dòng)效率，最小化能量要求和對(duì)環(huán)境的危害，同時(shí)表達(dá)智能，這需要積極脫離現(xiàn)有的飛行器設(shè)計(jì)概念。這個(gè)目標(biāo)可以通過(guò)容納多功能結(jié)構(gòu)，例如，熱分散和環(huán)境感知結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。由于具有綜合了電性能和力學(xué)性能，碳納米管被期望在設(shè)計(jì)理念上能實(shí)現(xiàn)這個(gè)范例轉(zhuǎn)變。
目前航天飛行器結(jié)構(gòu)依靠碳纖維復(fù)合材料獲得減輕重量，而不犧牲力學(xué)性能，然而，石墨纖維復(fù)合材料滿足了重量減輕要求，但是沒(méi)有與主要作為承載結(jié)構(gòu)分開(kāi)。與碳纖維相比，碳納米管具有不僅具有優(yōu)越的力學(xué)性能和低密度獲得必要的減輕重量，而且它們具有卓越的電學(xué)和熱學(xué)性能，可以構(gòu)造多功能結(jié)構(gòu)。碳納米管在這方面應(yīng)用會(huì)為未來(lái)基于多功能結(jié)構(gòu)材料的飛行器賦予激進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，然而，在轉(zhuǎn)移碳納米管的性能到未來(lái)一代的飛行器的宏觀結(jié)構(gòu)仍面臨著許多重大挑戰(zhàn)。
（三）碳納米管復(fù)合材料的分類(lèi)、制備及加工方法
開(kāi)發(fā)常規(guī)方法合成碳納米管引起探討特殊物理性能的強(qiáng)烈興趣。加入碳納米管后，復(fù)合材料的導(dǎo)電性、強(qiáng)度、彈性、韌性和耐久性會(huì)明顯的提高。然而，有效地利用碳納米管取決于碳納米管在基體中的均勻分散，而不破壞碳納米管的整體性。進(jìn)而，需要好的界面粘結(jié)獲得界面荷載傳遞，才能提高復(fù)合材料力學(xué)性能。高的長(zhǎng)細(xì)比有利于在復(fù)合材料中沿軸向取向，在其它應(yīng)用方面，高的軸向?qū)щ娔芰谥苽鋵?dǎo)電聚合物。
目前，碳納米管復(fù)合材料主要分為碳納米管與有機(jī)物、碳納米管與金屬類(lèi)復(fù)合材料，另外還包括碳納米管與無(wú)機(jī)材料的復(fù)合材料。
1. 碳納米管/聚合物復(fù)合材料
碳納米管/聚合物復(fù)合材料主要應(yīng)用碳納米管作為材料增強(qiáng)體，改善材料的導(dǎo)電性和材料的光電子性能方面。例如碳納米管增強(qiáng)的聚酰亞胺納米復(fù)合材料被認(rèn)為在許多領(lǐng)域，特別是在航天領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。傳統(tǒng)航天飛行器采用碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到很很成熟，可以通過(guò)各種成型工藝，如纏繞，拉擠，鋪放實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需要的三維結(jié)構(gòu)。而碳納米管增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料目前還沒(méi)有達(dá)到這種程度。目前主要工作還集中在分散和定向。除了和基體不連接的碳納米管滑移現(xiàn)象，基體中碳納米管束團(tuán)聚會(huì)明顯降低增強(qiáng)材料的長(zhǎng)細(xì)比（L/d）?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）方法制備的碳納米管，在碳納米管的生長(zhǎng)過(guò)程中，團(tuán)聚現(xiàn)象顯著。實(shí)現(xiàn)碳納米管在基體中的均勻分散同時(shí)，很關(guān)鍵要控制結(jié)構(gòu)和定向，這樣才可以發(fā)揮碳納米管的軸向荷載傳遞效率。定向碳納米管系統(tǒng)的表征是理解納米復(fù)合材料的基本增強(qiáng)機(jī)理的關(guān)鍵，碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)上由預(yù)浸布作為前軀體制備而成。和碳纖維相比，碳納米結(jié)構(gòu)如何跨越到宏觀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的機(jī)理還不是很清楚，部分原因是碳納米管的獨(dú)特性，同時(shí)碳納米管彼此有很強(qiáng)的吸引力，形成類(lèi)似于碳纖維的高剛度和高強(qiáng)度長(zhǎng)纖維仍然很模糊。然而，由于有吸引力的力學(xué)和電學(xué)綜合性能，開(kāi)展利用碳納米管潛力實(shí)現(xiàn)多功能結(jié)構(gòu)的努力依然持續(xù)。最佳的結(jié)果，在納米復(fù)合材料所具備的性能基礎(chǔ)上，利用碳納米管代替石墨纖維。
碳納米管在高聚物復(fù)合材料中的應(yīng)用首先要解決的問(wèn)題是分散性。為了提高分散能力及增加碳納米管與聚合物界面的結(jié)合力，需要對(duì)其表面進(jìn)行改性。主要目的是降低它的表面能態(tài)，提高其與有機(jī)相的親和力，使其能比較好地應(yīng)用到聚合物的復(fù)合材料中。
（1）改性方法
常用的改性方法主要有化學(xué)法和物理法兩種。
1）化學(xué)法
利用化學(xué)反應(yīng)或高的外加能量在碳納米管表面引入特定的官能團(tuán)，從而達(dá)到改變其表面性質(zhì)的方法。具體包括以下幾種方法：
①表面處理改性。利用酸化或磺化反應(yīng)等化學(xué)手段處理碳納米管，在碳納米管上獲得某些官能團(tuán)，改變其表面性質(zhì)以符合某些特定的要求（例如表面親水性、生物相容性）；
②外膜改性。在碳納米管表面均勻包覆一層其他物質(zhì)的膜，使其表面性質(zhì)發(fā)生變化；
③局部活性改性。利用化學(xué)反應(yīng)使碳納米管表面接枝不同官能團(tuán)，與聚合物復(fù)合后使復(fù)合材料具有新功能；
碳納米管/兩親性聚合物復(fù)合材料將擁有更加優(yōu)異的性能，在信息、生物醫(yī)學(xué)、催化等領(lǐng)域?qū)⒌玫街匾獞?yīng)用。
2）物理法
這種方法運(yùn)用粉碎、摩擦等方法，利用機(jī)械應(yīng)力對(duì)碳納米管表面進(jìn)行激活以改變其表面物理化學(xué)結(jié)構(gòu)而對(duì)其進(jìn)行改性的方案。這種方法使碳納米管的內(nèi)能增大，在外力作用下活化的碳納米管表面與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)、附著，以達(dá)到改性的目的。主要通過(guò)超聲分散或利用很大的剪切力來(lái)處理碳納米管，防止其團(tuán)聚，達(dá)到良好的分散效果。
（2）制備方法
碳納米管/聚合物復(fù)合材料的合成方法一般有兩種。一種是在碳納米管存在下的原位聚合。該方法是利用碳納米管表面的官能團(tuán)參與聚合，或利用引發(fā)劑打開(kāi)碳納米管的π鍵，使其參與聚合而達(dá)到與有機(jī)相的良好相容性。另一種方法是物理共混，又分為溶液共混和熔體共混。它是利用碳納米管上的官能團(tuán)和有機(jī)相的親和力或空間位阻效應(yīng)來(lái)達(dá)到與有機(jī)相的良好相容性。目前已用這兩種方法制備出了聚丙烯酸甲酯/CNTs（PMMA/CNTs）、尼龍-6（PA6）/CNTs、聚吡咯（PPY）/CNTs、PmPV/CNTs、PPV/CNTs及環(huán)氧樹(shù)脂/CNTs復(fù)合材料等多種聚合物/CNTs復(fù)合材料。
研究結(jié)果顯示，幾種方法制備的碳納米管/聚合物復(fù)合材料中，原位聚合法制備出的復(fù)合材料導(dǎo)電率最低，逾滲值為質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.06%；溶液共混法獲得的逾滲值為質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.05%~0.1%，熔體共混法制備的碳納米管/聚合物復(fù)合材料逾滲值最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%~0.2%。采用哪一種方法制備該類(lèi)復(fù)合材料需要根據(jù)所采用的聚合物種類(lèi)、碳納米管的情況、實(shí)驗(yàn)條件以及復(fù)合材料所能達(dá)到的性能等來(lái)綜合考慮。
2. 碳納米管/金屬/陶瓷復(fù)合材料
由于傳統(tǒng)金屬的性能也不能滿足日益發(fā)展的技術(shù)的實(shí)際需求，因而對(duì)材料進(jìn)行改性也成為一種發(fā)展趨勢(shì)。碳納米管由于其獨(dú)特的力學(xué)和物理特性，以其作為金屬基體的增強(qiáng)體也越來(lái)越受到關(guān)注。將其與金屬材料復(fù)合后能得到各種高性能的新型復(fù)合材料。這已成為研究碳納米管復(fù)合材料的一個(gè)極為重要領(lǐng)域。其中納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料是近年研究的熱點(diǎn)。
（1）納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料
由于不連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料優(yōu)異的性能，在航空、航天和汽車(chē)等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)這種材料而言，增強(qiáng)相的合理選擇對(duì)其性能改善至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，鋁基復(fù)合材料采用SiC、A12O3等陶瓷粒子作為增強(qiáng)相，近年來(lái)納米尺度的新型增強(qiáng)相——碳納米管引起人們的極大興趣。碳納米管鋁基復(fù)合材料具有密度低、高強(qiáng)度、抗氧化性好和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，成為尖端技術(shù)部門(mén)發(fā)展高性能結(jié)構(gòu)材料的研究方向。雖然碳納米管鋁基復(fù)合材料還處在試驗(yàn)階段，但取得了很大的進(jìn)展。
Barrera等應(yīng)用富勒烯作為鋁基增強(qiáng)相使純鋁硬度提高了近80%。吳昊等采用粉末冶金常壓燒結(jié)與高溫模壓和熱擠壓相結(jié)合的工藝制備了碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。結(jié)果表明，隨著碳納米管含量的增加（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0~2%），復(fù)合材料的硬度逐漸升高，抗拉強(qiáng)度先升高后下降。當(dāng)碳納米管含量為1.5%時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)370MPa，硬度和抗拉強(qiáng)度分別比純鋁提高了433%和236%。當(dāng)碳納米管含量為2%時(shí)，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損量分別比純鋁降低了63%和14%。許世嬌等采用高能球磨法制備了不同體積分?jǐn)?shù)的碳納米管與Al粉的混合粉末，用粉末冶金工藝制備了碳納米管/鋁（CNTs/Al）復(fù)合材料。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，球磨可以分散一定含量的碳納米管到A1基體中，并與其產(chǎn)生良好結(jié)合。在適當(dāng)?shù)那蚰スに囅?，球磨不?huì)造成碳納米管的嚴(yán)重?fù)p傷。趙霞等用攪拌摩擦加工法制備碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并對(duì)不同碳納米管含量的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、拉伸性能及斷口形貌進(jìn)行分析。結(jié)果表明：碳納米管添加到鋁基體中，攪拌摩擦中心區(qū)晶粒細(xì)小，碳納米管與基體之間結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷；碳納米管對(duì)基材有明顯的強(qiáng)化作用，鋁基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度隨著碳納米管含量的增加而提高；碳納米管體積分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到201MPa，是基材的2.2倍
碳納米管作為理想的納米級(jí)纖維增強(qiáng)相。理論上可以極大地提高金屬基體的力學(xué)性能，但是實(shí)際研究中其力學(xué)性能遠(yuǎn)未達(dá)到理想值。這主要是由于碳納米管自身表面能極高而容易發(fā)生團(tuán)聚，且與鋁基體潤(rùn)濕性差而導(dǎo)致界面結(jié)合很不理想所致。復(fù)合材料的界面是影響復(fù)合材料綜合性能的重要因素之一。所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)CNTs/Al復(fù)合材料的界面研究，充分挖掘其潛力以獲得性能優(yōu)良的CNTs/A1復(fù)合材料。
（2）納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料
碳納米管/鎂基復(fù)合材料具有碳納米管和鎂基體的綜合優(yōu)點(diǎn)，即高的導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、比剛度、高的尺寸穩(wěn)定性，還具有優(yōu)良的電磁屏蔽性能、優(yōu)良的機(jī)械加工性能，可生產(chǎn)各種鑄件、鍛件等。因而在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、3C產(chǎn)業(yè)、運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)以及其他領(lǐng)域都將有可能得到廣泛運(yùn)用。
在鎂基體材料中，微小裂紋源的存在造成應(yīng)力的集中而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，致使鎂基體材料發(fā)生斷裂。但當(dāng)碳納米管均勻地分布于鎂基體材料中時(shí)，由于碳納米管比表面積大、直徑小且經(jīng)表面改性處理后與鎂基體間的潤(rùn)濕性比碳纖維好，而且碳納米管具有很好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性，所以碳納米管不易與鎂基體反應(yīng)形成脆性界面，而是與鎂基體材料緊密結(jié)合形成性能優(yōu)異的碳納米管/鎂基復(fù)合材料。外加的載荷將通過(guò)強(qiáng)界面的結(jié)合和傳遞分布到碳納米管上，因此，鎂基復(fù)合材料的彈性模量將會(huì)大大提高。另外，由于碳納米管直徑為納米級(jí)，其晶格缺陷比碳纖維小得多，所以可顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。
李四年等研究結(jié)果表明，采用化學(xué)鍍鎳處理，可在CNTs表面獲得均勻且結(jié)合力較強(qiáng)的涂覆層，改善其與基體的潤(rùn)濕和結(jié)合狀況。CNTs對(duì)鎂基材料具有較好的增強(qiáng)效果，且經(jīng)過(guò)涂覆處理的CNTs，其增強(qiáng)效果更明顯。李維學(xué)等[21]采用攪拌鑄造法制備CNTs和SiCp增強(qiáng)鎂材料，研究結(jié)果表明隨CNTs加入量的增加，復(fù)合材料的硬度增大，而抗拉強(qiáng)度則先增大后減?。?dāng)CNTs體積分?jǐn)?shù)為1.1%時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高了86%，硬度提高了22.6%。
雖然人們?cè)阪V基復(fù)合材料的研究上取得了很大進(jìn)展，但仍存在很多的問(wèn)題。比如，鎂基復(fù)合材料的界面強(qiáng)化機(jī)理和復(fù)合機(jī)理等基礎(chǔ)研究還不夠理想，復(fù)合材料的制備工藝還有待改進(jìn)和完善，還待進(jìn)一步提高增強(qiáng)相性能等等。塑性好、高強(qiáng)度、儲(chǔ)氧性能優(yōu)良的碳納米管/鎂基復(fù)合材料正在引起研究者的關(guān)注。
（3）制備方法
目前，碳納米管增強(qiáng)鋁基/鎂基復(fù)合材料的常用制備方法主要有粉末冶金法、等離子噴涂法、原位化學(xué)氣相沉積法、熔融浸滲法等。
1）粉末冶金法
粉末冶金法是將CNTs與鋁粉均勻攪拌混合，然后進(jìn)行球磨、干燥、壓實(shí)和燒結(jié)等。該方法的優(yōu)點(diǎn)主要是碳納米管能在鋁基體中分布均勻，而且可準(zhǔn)確控制碳納米管的含量，自由度比較高。CNTs與鋁基體不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，工藝過(guò)程對(duì)設(shè)備要求也不高。缺點(diǎn)是混粉時(shí)間比較長(zhǎng)壓力大且球磨過(guò)程可能對(duì)CNTs原有結(jié)構(gòu)造成損害，制備出的復(fù)合材料中一般會(huì)有較多的孔隙、氣泡、裂紋等，內(nèi)部缺陷影響了碳納米管鋁基復(fù)合材料的性能，工藝復(fù)雜且制造成本高，不易制備形狀復(fù)雜的零件。
2）攪拌鑄造法
攪拌鑄造法是最常見(jiàn)的方法之一，該方法是在熔融的液態(tài)金屬中加入碳納米管，當(dāng)增強(qiáng)相碳納米管慢慢加入到液體金屬中，機(jī)械攪拌器強(qiáng)力攪拌，利用渦流形成的巨大負(fù)壓迫使碳納米管分散于金屬基體中，從而達(dá)到分散的目的，制備出分散均勻的碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。該工藝優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單易于操作，對(duì)設(shè)備要求性不高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是由于碳納米管密度相對(duì)金屬較低，在熔體金屬中易上?。斐稍鰪?qiáng)相的偏析，分散不均勻和較多的氣孔空隙，對(duì)碳納米管鋁基復(fù)合材料的性能有很大影響。
3）熔體浸漬法
熔體浸漬法是一種將熔體金屬在一定的工藝條件下滲透到具有一定形狀和較高空隙的預(yù)制塊體中，達(dá)到滲透的作用，然后通過(guò)自然冷卻，凝固達(dá)到復(fù)合材料的制備。一般來(lái)說(shuō)熔體浸漬法分為壓力滲透和無(wú)壓滲透。壓力滲透效果比較明顯，制備的復(fù)合材料孔隙率相對(duì)來(lái)說(shuō)低，目前有報(bào)道稱這種方法能夠制備體積分?jǐn)?shù)高達(dá)50%的復(fù)合材料。但是制備工藝復(fù)雜，設(shè)備要求高，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成脆性物質(zhì)，對(duì)復(fù)合材料性能影響很大。而且一般要在惰性氣體保護(hù)下才可進(jìn)行。無(wú)壓滲透在自然狀態(tài)下達(dá)到一種熔體浸漬平衡的狀態(tài)。元壓滲透制備的復(fù)合材料一般體積分?jǐn)?shù)有一定的限制，很難實(shí)現(xiàn)高密度的制備。但操作相對(duì)簡(jiǎn)單，制備條件比較容易實(shí)現(xiàn)。相對(duì)其他復(fù)合材料制備工藝來(lái)說(shuō)，無(wú)論哪種浸漬方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，目前來(lái)看熔體浸漬法由于其預(yù)制塊制備比較復(fù)雜，而且塊體中氣孔不易排出，造成復(fù)合材料疏松，容易變形等，所以熔體浸漬法目前還在不斷探討中。
4）原位合成法
原位復(fù)合技術(shù)作為一種突破性新的復(fù)合技術(shù)而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍重視。原位金屬基復(fù)合材料主要是以金屬為基底，采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒?，在金屬基底上達(dá)到一種化學(xué)或者非化學(xué)的反應(yīng)制備出增強(qiáng)相。由于原位復(fù)合技術(shù)基本上能克服其他工藝通常出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，如增強(qiáng)相與金屬界面浸潤(rùn)差，界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性層。增強(qiáng)相分布不均勻，特別是微小的第二相或增強(qiáng)相極難與金屬進(jìn)行復(fù)合問(wèn)題等是接下來(lái)研究的熱點(diǎn)。
制備方法的單一性、加工工藝的復(fù)雜性、生產(chǎn)效率不高等，這些問(wèn)題還制約著碳納米管金屬基復(fù)合材料的發(fā)展，碳納米管在基體中良好的分散和它與基體的界面結(jié)合等問(wèn)題需要進(jìn)一步地探索研究。
3. 碳納米管生物復(fù)合材料
碳納米管具有密度低、長(zhǎng)徑比高，并且可以重復(fù)彎曲、扭折而不破壞的結(jié)構(gòu)，因此是制備強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、性能好的復(fù)合材料的最佳承荷增強(qiáng)材料。研究表明，向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原聚合物的傳導(dǎo)性、強(qiáng)度、彈性、韌性和耐久性等性質(zhì)。
對(duì)聚氨酯/多壁碳納米管復(fù)合膜和聚苯乙烯/多壁碳納米管復(fù)合膜的機(jī)械拉伸實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)碳納米管與基體間存在良好的界面結(jié)合時(shí)，聚合物中碳納米管可以增強(qiáng)聚合物的抗張強(qiáng)度。Webster等發(fā)現(xiàn)，多壁碳納米管和聚氨酯形成的復(fù)合材料較傳統(tǒng)醫(yī)用聚氨酯具有更好的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，適合制造應(yīng)用于臨床的載體設(shè)備，如可能作為檢查神經(jīng)組織恢復(fù)情況的探針和骨科應(yīng)用的假體等。
目前，碳納米管生物復(fù)合材料制備過(guò)程中最關(guān)鍵的仍然是碳納米管在基體中的良好分散和其與界面的結(jié)合問(wèn)題。
4. 碳納米管復(fù)合材料加工工藝研究
近年來(lái)，由于納米級(jí)復(fù)合材料的出現(xiàn)，納米級(jí)復(fù)合材料的加工成為制造者關(guān)注的一大熱點(diǎn)。Ahamed等采用高速鋼鉆削5%SiCp-5%B4Cp/Al基復(fù)合材料，結(jié)果表明磨粒磨損和粘結(jié)磨損是主要磨損形式，影響刀具磨損的主要因素為切削速度。一些SiC和B4C增強(qiáng)相顆粒被拔出鉆削表面，其他顆粒則發(fā)生斷裂。由于金屬基體材料發(fā)生塑性變形，在顆粒周?chē)a(chǎn)生空隙和裂紋。Basavarajappa等研究15%SiC-3%石墨混雜Al基復(fù)合材料，結(jié)果表明表面粗糙度隨切削速度和進(jìn)給量的增加而增加。Altunpak等采用類(lèi)金剛石碳沉積涂層刀具鉆削20%SiC、不同含量的石墨混雜Al基復(fù)合材料，結(jié)果表明石墨的添加SiCp/Al基復(fù)合材料中能夠降低切削力。進(jìn)給量是影響切削力的主要因素。Osada等對(duì)加工后的體積分?jǐn)?shù)15%的SiC納米Al基復(fù)合材料進(jìn)行熱處理研究，結(jié)果表明裂紋自愈合是降低加工成本和提高加工表面完整性的非常有效的技術(shù)。Gopalakannan等采用電火花加工方法加工納米SiCp增強(qiáng)Al7075基復(fù)合材料，結(jié)果表明脈沖電流是影響材料去除率、電極磨損率和表面粗糙度的最重要的因素。Rajmohan等采用硬質(zhì)合金刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具和聚晶金剛石鉆頭加工混雜金屬基復(fù)合材料，并建模分析軸向力、表面粗糙度、毛刺高度和刀具磨損等加工相應(yīng)特性。結(jié)果暗示進(jìn)給量對(duì)軸向力、表面粗糙度、刀具磨損和毛刺高度影響最大。從提高表面精度，降低軸向力、刀具磨損和毛刺高度考慮，聚晶金剛石刀具比其他兩種刀具性能更加好。鉆孔表面存在裂紋、顆粒拔出、顆粒剪斷等缺陷。
但與納米SiCp增強(qiáng)符合材料不同，碳納米管復(fù)合材料的加工具有其獨(dú)特的加工特性。例如碳納米管含量、分散程度、取向和界面結(jié)合強(qiáng)度等對(duì)材料機(jī)械加工性能的影響，以及切削加工高應(yīng)變率條件下的加工響應(yīng)特性、表面質(zhì)量等都會(huì)與顆粒增強(qiáng)和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不同。
Samuel等對(duì)比研究了多壁碳納米管復(fù)合材料與傳統(tǒng)碳纖維聚碳酸脂復(fù)合材料的切削加工性能。與傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料相比，碳納米管復(fù)合材料切削力和表面粗糙度最小，且容易形成連續(xù)切屑。Jasinevicius等對(duì)不同含量的碳納米管/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行超精密切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示碳納米管含量影響復(fù)合材料的切削模式（脆性—塑性切削），進(jìn)一步影響材料的加工特性及表面形成機(jī)理。
從上述分析可以看出，碳納米管復(fù)合材料的切削加工仍處在起步階段。隨著碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用，急需對(duì)其切削加工性能進(jìn)行全面系統(tǒng)的理論與實(shí)踐研究。
（四）碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料在航天領(lǐng)域應(yīng)用案例
發(fā)展宏觀材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的碳納米管及納米復(fù)合材料路線圖
用于智能機(jī)翼結(jié)構(gòu)和多功能航天器的納米復(fù)合材料
以上兩圖示意了一種方法，即碳納米管表面功能化（用化學(xué)方法使表面形成極性基團(tuán)）、交聯(lián)、與樹(shù)脂復(fù)合后制成纖維、做成結(jié)構(gòu)，最后應(yīng)用到飛行器上。
自下而上的設(shè)計(jì)方法制造的碳納米管增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料能夠帶來(lái)像多功能材料的系統(tǒng)效應(yīng)。不僅能應(yīng)用到結(jié)構(gòu)材料中，而且熱控或是抗微流星體撞擊結(jié)構(gòu)材料中。美國(guó)NASA支持了一系列的計(jì)劃，包括碳納米管的生產(chǎn)及在航天中的應(yīng)用，如納米流體、熱塑性納米復(fù)合材料、環(huán)氧納米復(fù)合材料纖維體系、聚合物基納米復(fù)合材料。碳納米管增強(qiáng)的環(huán)氧復(fù)合材料除了具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、韌性好、耐沖擊的特點(diǎn)，并且還具有智能性。
1. 力學(xué)性能
用碳納米管復(fù)合材料代替目前的飛行器結(jié)構(gòu)可以大大降低下一代航天飛行器的重量，因此碳納米增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料在需要輕質(zhì)耐用材料的航天非常有前景。
與傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料不同，納米復(fù)合材料只需相對(duì)小的分散材料的含量，獲得顯著的性能提高，這使得它們獲得航天應(yīng)用。碳納米管增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料目前吸引了科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)和理論上進(jìn)行研究。碳納米管與聚酰亞胺的組合被期望扮演重要的角色開(kāi)發(fā)新型高性能納米碳聚合物復(fù)合材料。聚酰亞胺在航天應(yīng)用展示出的獨(dú)特適應(yīng)空間環(huán)境優(yōu)勢(shì)，碳納米管突出的輕質(zhì)高強(qiáng)、高剛度和高韌性綜合一體的力學(xué)優(yōu)勢(shì)及導(dǎo)電導(dǎo)熱，智能的多功能優(yōu)勢(shì)。航天發(fā)展迫切需要新一代飛行器，而這種飛行器的設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)新，革命性的設(shè)計(jì)理念。碳納米管增強(qiáng)聚酰亞胺納米復(fù)合材料被看作可以為先進(jìn)復(fù)合材料帶來(lái)一次革命，同時(shí)為航天飛行器實(shí)際注入新的概念。理論分析表明，碳納米管增強(qiáng)聚酰亞胺納米復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)理念，國(guó)內(nèi)外在碳納米管增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)取得不斷進(jìn)展，推動(dòng)碳納米管復(fù)合材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
NASA戈達(dá)德空間飛行中心針對(duì)單壁碳納米管結(jié)構(gòu)制造工藝難的問(wèn)題，進(jìn)行了大量研究，并取得了較大的進(jìn)展。NASA通過(guò)技術(shù)授權(quán)，并與Nanotailor公司合作，實(shí)現(xiàn)了碳納米管制備技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。杜邦公司投資的朱諾航天器復(fù)合材料公司生產(chǎn)的碳納米管片狀材料（EMSHIWLD），該材料主要用于保護(hù)木星探測(cè)器免于靜電放電。與常規(guī)放電保護(hù)材料不同，該片狀材料就添加進(jìn)表層中，將其直接整合進(jìn)飛行器組件的結(jié)構(gòu)中。
2. 光、電、磁學(xué)等性能
近年新成立的Nanocomp技術(shù)公司目前生產(chǎn)了碳納米管并用其制造出了具有電和熱傳導(dǎo)性能的片材和紗材。Nanocomp技術(shù)公司生產(chǎn)的碳納米管紗線，可以取代銅線來(lái)制造輕重量的同軸電纜，其導(dǎo)電性能是銅的100倍以上。這種材料具有的導(dǎo)電性對(duì)于對(duì)減重有著苛刻要求的航天飛機(jī)制造商有著巨大的吸引力。NASA準(zhǔn)備在計(jì)劃2012年發(fā)射的“守望號(hào)”航天飛機(jī)就利用了這種碳納米管片的靜電防護(hù)作用。達(dá)索公司接受了美國(guó)空軍的一項(xiàng)合同繼續(xù)研究和發(fā)展用于有人和無(wú)人駕駛飛機(jī)的具有電磁干擾屏蔽功能的碳納米管材料。軍方對(duì)碳納米管能顯著減輕結(jié)構(gòu)布線重量也表示了濃厚的興趣并進(jìn)行飛行試驗(yàn)。
碳納米管不僅被作為理想的力學(xué)增強(qiáng)材料，而且碳納米管也被利用增強(qiáng)感知和驅(qū)動(dòng)能力，取得在納米復(fù)合材料的內(nèi)在的多功能性。自從碳納米管發(fā)現(xiàn)以來(lái)，納米傳感器和納米計(jì)算機(jī)研究在許多不同的方向蓬勃發(fā)展。最近的結(jié)果表明，加入少量的單壁碳納米管（SWNT）可以增加聚合物的電化學(xué)反應(yīng)，提高感知能力。在電場(chǎng)的作用下，提高SWNT的含量可以激活聚合物復(fù)合材料、修飾SWNT聚合物復(fù)合材料的電學(xué)和介電性能，直接提高聚合物的傳感和驅(qū)動(dòng)能力。變化SWNT的含量和取向可以在很大范圍調(diào)整納米復(fù)合材料的力學(xué)、電學(xué)和介電性能。這種可變的多功能性，結(jié)合增強(qiáng)的納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能，將可以設(shè)計(jì)未來(lái)航天飛行器的關(guān)鍵智能耐用構(gòu)件。
利用碳納米管的導(dǎo)電性能、電磁屏蔽性能和優(yōu)良的斷裂韌性，人們制作出碳納米管片用于航天器的靜電耗損防護(hù)。典型的在軌應(yīng)用例子是美國(guó)朱諾號(hào)木星探測(cè)器，碳納米管復(fù)合材料被用于制作發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐桿和發(fā)動(dòng)機(jī)的覆蓋件，如下圖所示。
朱諾號(hào)探測(cè)器上用碳納米管復(fù)合材料的支撐桿
朱諾號(hào)探測(cè)器上用碳納米管復(fù)合材料制作的發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋件
碳納米管可以潛在應(yīng)用于高應(yīng)變復(fù)合材料體系或在高溫保持力學(xué)性能，這滿足其成功應(yīng)用于要求多功能先進(jìn)航天飛行器，如“Gossamer”航天飛行器。
碳納米管在電子器件中用作量子線非常有前景，但是制作上的挑戰(zhàn)將在若干年內(nèi)限制其實(shí)際應(yīng)用。碳納米管的原子氧效應(yīng)可用于制造原子氧探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)空間原子氧的實(shí)時(shí)探測(cè)。
3. 熱學(xué)和吸波性能
碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，將使它有望成為今后超高速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)芯片導(dǎo)熱板，也可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭等各種高溫部件的防護(hù)材料。圖5-7為碳纖維及碳納米管復(fù)合材料熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)照片，該類(lèi)復(fù)合材料有望應(yīng)用到空間推進(jìn)系統(tǒng)的熱輻射器中，以提高系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能，減輕推進(jìn)系統(tǒng)的重量。碳納米管優(yōu)異的吸波性能，研究者開(kāi)始著手研究其在軍事隱形、儲(chǔ)能、吸波等方面的應(yīng)用。美國(guó)密執(zhí)安州立大學(xué)的戴維·托姆尼克利用碳納米管材料，將其固定在一層薄的環(huán)氧樹(shù)脂基體中，制成了有高度導(dǎo)電性和吸收雷達(dá)波的復(fù)合材料板，并用它制成隱形飛機(jī)的蒙皮，用于防止隱形飛機(jī)遭遇雷擊。
碳纖維、碳納米管、碳納米管復(fù)合材料熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)
（五）小結(jié)
過(guò)去十幾年中，在碳納米管復(fù)合材料的合成和處理方面有了很大的進(jìn)展。但碳納米管作為一種新興材料，由于人們對(duì)它的研究還不夠徹底，在很多領(lǐng)域的研究還有待深入。例如碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料方面，在材料的界面強(qiáng)化機(jī)理、復(fù)合材料的制備工藝、結(jié)構(gòu)件的機(jī)械加工工藝等方面還有許多亟待解決的問(wèn)題。特別在航天領(lǐng)域，碳納米管復(fù)合材料被認(rèn)為可以為復(fù)合材料在航天領(lǐng)域帶來(lái)一次新的革命，實(shí)現(xiàn)新概念的多功能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料?？梢越Y(jié)合最終期望獲得的性能，從原材料選擇、工藝選擇、結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)功能一體化的碳納米管復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)其在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
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