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碳納米管增強塑料仍面臨技術(shù)挑戰
以色列魏茨曼(Weizmann)科學(xué)研究所的研究人員發(fā)現,將碳納米管添加到塑料中,可以大大加強塑料的強度。這些研究人員目前正在研究如何將碳納米管注入塑料或其他材料中,從而幫助提高復合材料的性能。
塑料(聚甲基丙烯酸甲酯)常常用來(lái)替代玻璃,是一種不易碎的材料,比如,樹(shù)脂玻璃和透明合成樹(shù)脂。研究人員用單壁和多壁碳納米管增強聚甲基丙烯酸甲酯纖維后發(fā)現,盡管這兩種類(lèi)型都可有效增強塑料的強度,但多壁納米管的韌性更強,相當于幾個(gè)單壁納米管嵌套在一起。
納米結構的增強復合材料是未來(lái)研究的方向,目前已經(jīng)逐漸開(kāi)始取代微型分子復合材料。碳納米管是一種自然的選擇,因為它們異常堅韌,尤其是多壁碳納米管可嵌套多達50個(gè)碳納米管。雖然碳納米管在顯著(zhù)提高材料強度上取得了不菲的成就,但目前在利用上還存在技術(shù)瓶頸。因為很難避免類(lèi)似納米集群的問(wèn)題---一些碳納米管隨機聚合,而不是平均分布。這樣一來(lái),甚至可能降低材料的強度。
項目負責人DanielWagner解釋說(shuō):“盡管我們已經(jīng)投入了大量精力,但是研究結果仍然存在矛盾之處---碳納米管雖能作為增強劑,但怎樣使碳納米管(多壁和單壁)有序的分布的問(wèn)題并沒(méi)有解決。這已經(jīng)成為目前發(fā)展納米復合材料的主要挑戰。靜電紡絲技術(shù)是目前最為簡(jiǎn)單有效的制備有序納米纖維的手段?!膘o電紡絲技術(shù)通過(guò)靜電力作為牽引力來(lái)制備超細纖維。在靜電紡絲工藝過(guò)程中,將聚合物熔體或溶液加上高壓靜電,最終形成無(wú)紡布狀的納米纖維。
Wagner和他的同事SuiXiaomeng用靜電分別提取了單純聚甲基丙烯酸甲酯纖維和碳納米管(多壁或單壁)增強的聚甲基丙烯酸甲酯纖維進(jìn)行對比分析。結果表明,嵌入纖維中的納米管能沿著(zhù)纖維軸的方向整齊的排列。單壁碳納米管增強的復合纖維,長(cháng)且粗,其韌性比復合材料大三倍。而多壁碳納米管則排列更均勻,從而能更大程度上增強纖維的韌性。
Wagner和Sui用自行發(fā)明的“微毫張力器”工具,測試每一根復合材料的張力,并通過(guò)電子顯微鏡觀(guān)察拉伸過(guò)程。為了防止纖維直徑對整個(gè)過(guò)程的影響,他們將樣本的直徑范圍限定在500-750毫微米之間。實(shí)驗發(fā)現,使用碳纖維納米管增強的聚甲基丙烯酸甲酯纖維發(fā)生了“驚人”的轉變。纖維在強拉力下表現的很堅韌,只會(huì )發(fā)生微小的變形,相比單純聚甲基丙烯酸甲酯纖維的耐受性要強很多。
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