來(lái)源:中國(guó)合成樹(shù)脂網(wǎng) 2022-05-11 11:09:42
德克薩斯 A&M 大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種使用混合納米材料的方法,能夠在幾分鐘內(nèi)制造出具有良好機(jī)械性能的高性能熱塑性復(fù)合材料。
纖維增強(qiáng)熱塑性塑料因其固有的特性正在高速取代金屬——它們輕便、堅(jiān)固、可回收和可延展。它們可用于各種應(yīng)用,包括制造、汽車和航空航天工業(yè),因?yàn)樗鼈兗染哂谐杀拘б嬗志哂锌沙掷m(xù)性。
該項(xiàng)目以車重減輕10%,燃油效率提高6%-8%,二氧化碳年排放量減少325公斤為前提。提供了與金屬零部件制造競(jìng)爭(zhēng)的可相關(guān)人員說(shuō)。此外,該項(xiàng)目解決了航空航天領(lǐng)域減少重量和制造成本的需求,從經(jīng)濟(jì)上證明了制造用于成像、雷達(dá)、監(jiān)視和交付的小型飛行器的合理性。它還加快了商用飛機(jī)快速制造復(fù)合材料的認(rèn)證。
克服悖論
高性能熱塑性復(fù)合材料通常是半結(jié)晶的,包含結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)。在聚合物中,晶體是聚合物鏈按特定順序排列的區(qū)域,無(wú)定形區(qū)域是具有隨機(jī)結(jié)構(gòu)的區(qū)域。
然而,熱塑性塑料存在一個(gè)悖論:如果通過(guò)增加晶體數(shù)量來(lái)提高強(qiáng)度,它會(huì)變脆,但如果通過(guò)增加無(wú)定形區(qū)域來(lái)解決脆性,則強(qiáng)度會(huì)顯著降低。由于快速加熱和冷卻過(guò)程沒(méi)有足夠的時(shí)間形成晶體,因此快速制造過(guò)程會(huì)引發(fā)這種悖論,從而難以生產(chǎn)堅(jiān)固的熱塑性塑料。
研究人員說(shuō),實(shí)現(xiàn)具有相互影響的特性的結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性。然而,這些結(jié)構(gòu)在自然界中是存在的。例如,象鼻的強(qiáng)度足以舉起數(shù)百磅,在戰(zhàn)斗中很僵硬,但也足夠柔軟、靈活和細(xì)膩,可以處理小蔬菜。同時(shí),它還提供多種功能,如通訊、飲水和淋浴。這些令人難以置信的功能的關(guān)鍵是樹(shù)干的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu),我們可以將其視為我們?nèi)绾卧谝粋€(gè)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)自相矛盾的特性的一個(gè)例子。
設(shè)計(jì)結(jié)晶非晶微結(jié)構(gòu)
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),研究人員建議在制造過(guò)程中使用混合納米材料設(shè)計(jì)結(jié)晶非晶微結(jié)構(gòu)。這些納米材料可以通過(guò)控制晶體的成核、生長(zhǎng)、取向和尺寸分布,將晶體調(diào)整為所需的結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)發(fā)微觀結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一種既堅(jiān)固又抗斷裂的熱塑性復(fù)合材料。
他們的新方法有可能以更快的速度和更低的成本生產(chǎn)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。此外,它可以提供一種可擴(kuò)展的解決方案,能夠在制造業(yè)中與金屬競(jìng)爭(zhēng)。
該項(xiàng)目通過(guò)為汽車、航空航天和海洋工業(yè)配備快速制造技術(shù),加速了可能有利于美國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全的制造平臺(tái)。
未來(lái),研究人員將尋求提供物理證據(jù),證明他們的制造過(guò)程反映了他們的分子模擬。為了完成這項(xiàng)任務(wù),他們正在與空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作,以確定他們的研究結(jié)果是否與制造工藝兼容。