【资讯】碳纤维复合材料领域最新科研十大进展

赵敏 2021-01-21

在复合材料大家族中，碳纤维复合材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下碳纤维复合材料领域最新的十大研究进展。

日本开发出新型热塑性碳纤维复合材料

高强度、具有防静电特性

日本的金泽工业大学与从事工业废弃物处理和回收的三荣兴业公司合作，开发出了比以往的碳纤维复合材料强度更高，而且抗静电性能优异的新型热塑性碳纤维复合材料。

此次开发的热塑性碳纤维复合材料有望应用于要求具备高比强度和高比弹性模量等机械特性的汽车及飞机相关构件和建材等，此外，在需要具备高水平抗静电性能的半导体等精密部件的成型领域，其利用价值也非常高，预计今后存在很大需求。

图1：新材料的性能

国外开发出具有80-90％伸长率的高延伸环氧树脂

近期,Master Bond公司开发出一种两组分环氧体系树脂——EP40Med树脂,它兼具韧性和低拉伸模量,同时仍具有较高的搭接剪切强度。

这种柔性环氧树脂具有80-90%的伸长率,1,600-1,800psi的搭接剪切强度和25,000-50,000psi的低拉伸模量。它符合ISO 10993-5测试的要求,因此被认为是无细胞毒性的。该化合物可用于粘合、密封、涂层和封装。

添加不到1‰，碳纤维强度蹭蹭往上提！《Science Advances》：添加少量石墨烯可大幅度提高碳纤维强度

近日，弗吉尼亚大学Xiaodong Li、Adri C. T. van Duin教授研究团队联合宾夕法尼亚州立大学Leonid V. Zhigilei教授研究团队发现加入0.075 wt%的机械剥离石墨烯可以使碳纤维的拉升强度和杨氏模量分别提高225 %和184 %。通过对各种石墨烯含量复合碳纤维的微观结构和宏观机械性能进行表征和分析，以及结合计算机模拟的结果，作者发现微量石墨烯对碳纤维机械强度的提高源于以下三个因素：(1)石墨烯减小了碳纤维内部的孔洞/缺陷尺寸，提高了其完整度；(2)石墨烯优化了碳纤维前驱体聚丙烯腈(PAN)纤维分子链的排列；(3)石墨烯可以提高碳纤维本体的机械强度。这项研究工作不仅对石墨烯增强碳纤维的机理进行了深入探究，为之后更高强、高模碳纤维的制备提供了理论指导；同时，也为通过微观结构的调整来制备高性能碳纤维的研究工作提供了很好的思路。这项研究工作以题为“Graphene reinforced carbon fibers”的论文发表在《Science Advances》上。

瑞典科研人员开发出“变形”碳纤维复合材料可按需改变形状

据外媒New Atlas报道，虽然此前研究人员已开发出“变形 ” 结构材料，但它们通常会加入电磁阀、泵或电机，增加了重量和复杂性。然而现在，科学家们开发出了一种碳纤维复合材料，只需简单地通电就能改变形状。

这种三层固态材料由瑞典皇家理工学院的一个团队创造，由两片掺杂锂离子的碳纤维组成的三层固态材料，中间夹着一块固体电解质的薄片。

日本研发无粘结碳纤维增强型塑料加固钢构件法可用于汽车等行业

据外媒报道，日本丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）建筑与土木工程系结构工程的研究人员研发了一种新概念，可利用无粘结碳纤维增强型塑料（CFRP）层板加固关键建筑结构中的钢，从而提升钢的屈曲性能。此种方法不要求在应用CFRP之前，先进行表面处理，因为CFRP不会粘结在钢的表面，只是通过提升钢的抗弯刚度来提高结构强度。

天大研发“碳纤维超级涂层”　为高空高寒环境下飞机、输电线路等设备披上“防寒服”

天津大学张雷教授团队利用新型两亲性材料结合光热碳纤维，研发出一种利用太阳光产热的“超级涂层”。该涂层性能优异的关键在于将可降低冰点的亲水材料、低表面材料与光热碳纤维有机融合，不仅能有效阻止结冰形成，吸收太阳光产热除冰，还降低了涂层表面的冰附着力，可使积冰在阳光的照射下，仅依靠风力、重力等自然条件轻松去除。相关成果已发表于国际权威期刊《化学工程杂志》。

NawaStitch新工艺有望使碳纤维复合材料更轻更强

法国的Nawa Technologies正在美国开展业务，并将其快速，价格合理的垂直排列碳纳米管（VACNT）制造工艺引入新的应用程序：使碳纤维复合材料更坚固。

根据N12和现在的Nawa所说，两层之间的胶水可能是薄弱点，随着零件弯曲而变差。这可能导致分层，或仅破坏零件的强度。Nawastitch用超强的VACNT阵列增强了环氧树脂层，因此，Nawa说抗剪强度提高了100倍，抗冲击性提高了10倍，根本不会发生分层和高速冲击减少50％的内部损坏。这样就可以增强复合零件，而无需对常规制造过程进行实质性更改。

科学家找到环氧树脂固化新方法：这种环氧树脂可以在通过磁场后就能变硬。

新加坡南洋理工大学的科学家们从现有的热活化环氧树脂开始，然后将其混合在由锰、锌和铁制成的纳米颗粒中。当混合物暴露在磁场中时，粒子会升温从而固化环氧树脂。整个过程不需要添加催化剂，并且胶水有没有被任何材料覆盖都没有关系。

研究人员称，一克“磁固化粘合剂”可以用200瓦的电磁设备在5分钟内将其固化，而在此过程中消耗的能量只有16.6W·h。相比之下，同样数量的传统热活化环氧树脂却需要在2000瓦的烤箱中加热一小时，需要消耗2000W·h的能量。更重要的是，据称键的强度跟普通环氧树脂相似。该技术的潜在应用可能包括航空航天、汽车、体育和医疗产品的制造行业。