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日前，我科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所(簡(jiǎn)稱蘇州納米所)正式與歐洲空客工程技術(shù)中心簽署合作協(xié)議，并宣布成立“航空納米材料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”。雙方將以市場(chǎng)化為方向，加快納米材料在大飛機(jī)上的應(yīng)用，這也是空客在納米領(lǐng)域首次與我國(guó)方面簽署的戰(zhàn)略合作。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外公開(kāi)資料，分析其技術(shù)背景。碳納米管材料是繼碳纖維，芳綸纖維，超高分子量聚乙烯纖維材料之后，近20年來(lái)工程技術(shù)人員又一寄以厚望的新一代高性能人工材料。理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 碳納米管具有極為優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)及熱學(xué)等性能。從理論上講，其拉伸強(qiáng)度可高達(dá)100GPa，超過(guò)目前日本東麗公司T1000級(jí)碳纖維拉伸強(qiáng)度的10倍以上，是鋼的100倍，而密度只有鋼的六分之一，讓日方高度關(guān)注，專家總結(jié)了一句話：“史無(wú)前例”，作為世界碳纖維第一大國(guó)，日本東麗公司壟斷了高強(qiáng)度碳纖維的70%世界市場(chǎng)，這是第一種超過(guò)T1000級(jí)碳纖維的新型碳納米管材料技術(shù)。
碳纖維制品——碳纖維氈
8月29日，俄羅斯國(guó)防部發(fā)表聲明確認(rèn)，俄羅斯將在2018年底前向中國(guó)交付首批最后10架蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)。此外，9月3日俄羅斯烏法發(fā)動(dòng)機(jī)制造聯(lián)合企業(yè)在參加“年度航空制造”比賽時(shí)表示，蘇-30SM戰(zhàn)斗機(jī)在進(jìn)行現(xiàn)代化升級(jí)時(shí)將裝備目前蘇-35S戰(zhàn)斗機(jī)所用的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)在國(guó)內(nèi)，這兩條關(guān)于蘇-35的消息并沒(méi)有引起什么關(guān)注，這也反映出了中國(guó)很多軍迷對(duì)蘇-35的“不待見(jiàn)”。由于這種“不待見(jiàn)”，關(guān)于蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)的實(shí)際性能、其在我軍中的地位和未來(lái)中俄就蘇-35進(jìn)行深入合作的可能性，已經(jīng)成為了一個(gè)個(gè)謎團(tuán)。那么本期《出鞘》我們就來(lái)談?wù)勱P(guān)于蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)的這些“迷”。
新型材料碳纖維——碳纖維汽車
由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，其電流強(qiáng)度比銅高出300倍以上，碳納米管是目前唯一有可能取代硅，并成為下一代微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料。在散熱性能方面， 碳納米管比目前室溫下最好的金剛石散熱片，導(dǎo)熱性能要高出3倍以上。由于碳在地球上廣泛存在于大氣、地殼和生物之中，其原料易得，因此高性能碳納米材料的制備與應(yīng)用成為近20多年來(lái)國(guó)際科學(xué)界最熱點(diǎn)的前沿研究之一。蘇州納米所于2009年7月成立后，在碳納米管新材料研究及應(yīng)用上取得了一系列重大成果而引起世人關(guān)注。在新一代戰(zhàn)斗機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)上，以碳纖維復(fù)合材料取代金屬、玻璃纖維來(lái)減輕重量是目前普遍的發(fā)展趨勢(shì)，但在實(shí)際使用過(guò)程中卻發(fā)現(xiàn)，碳纖維也有自身局限性，比如韌性較低，而飛機(jī)的機(jī)翼等部件卻恰恰要求具有良好的的韌性。
新型材料碳纖維——碳纖維氈
常坐飛機(jī)的朋友可以發(fā)現(xiàn)，民航客機(jī)在遇到強(qiáng)氣流時(shí)機(jī)翼韌性極好，彎曲變形幅度很大也不會(huì)折斷。據(jù)公開(kāi)資料披露， 蘇州納米所研制的40微米厚(0.04毫米)的碳納米管薄膜嵌入到3.5毫米厚，140毫米長(zhǎng)的碳纖維復(fù)合材料層壓板后，其彎曲韌性提高了40-60%，完全能夠滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)師的力學(xué)性能要求。目前，碳纖維必須在浸入液體樹(shù)脂材料固化成型制成碳纖維復(fù)合材料后才能真正投入產(chǎn)品應(yīng)用，而一般固化工藝都是采用熱壓罐高溫成型。熱壓罐成型技術(shù)可以保證制品的質(zhì)量穩(wěn)定，力學(xué)性能可靠。我國(guó)為了生產(chǎn)空警2000預(yù)警機(jī)雷達(dá)天線整流罩，曾經(jīng)研制出了當(dāng)時(shí)亞洲最大的熱壓罐，確實(shí)投入了大量經(jīng)費(fèi)支持。
新型材料碳纖維—碳纖維飛機(jī)
然而，在實(shí)際使用過(guò)程中，以熱壓罐成型方式制備的復(fù)合材料存在許多問(wèn)題，例如：熱壓罐成型能耗非常大，能源利用率非常低;熱壓罐成型周期非常長(zhǎng)，設(shè)備利用率低;對(duì)于大型的熱壓罐，壓力和溫度控制較難，升溫速度緩慢。這些缺陷的存在都大大增加了復(fù)合材料構(gòu)件的成本。同時(shí)，碳纖維在浸潤(rùn)樹(shù)脂固化成型后與金屬材料相比，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能變差，因此不得不在碳纖維復(fù)合材料蒙皮中增加微型銅網(wǎng)，用以通電加熱除冰和疏散雷擊瞬時(shí)大電流，來(lái)應(yīng)對(duì)冰雪和雷電等惡劣天氣。熱壓罐成型制品難以滿足這樣的需求，而且微型銅網(wǎng)的引入無(wú)疑還會(huì)增加飛機(jī)的重量，使其消耗更多的燃料。
新型材料碳纖維——碳纖維動(dòng)車
蘇州納米所研制的多孔碳納米管薄膜鋪于碳纖維和液體樹(shù)脂中間后，不需昂貴的熱壓罐高溫成型，僅需簡(jiǎn)單的抽真空后通電自加熱就可成型，與傳統(tǒng)熱壓罐固化方式相比，碳納米管薄膜電加熱固化技術(shù)可將能耗和成型時(shí)間分別降低83.7%和28.9%，而與熱壓罐固化成型出來(lái)的復(fù)合材料具有相同的力學(xué)性能。而且固化完成后，碳納米管薄膜還可以作為碳纖維復(fù)合材料的組成部分使其具有優(yōu)異的導(dǎo)電發(fā)熱性能，用于除冰防雷，具有廣泛的應(yīng)用前景。可以說(shuō)，這是高性能碳纖維復(fù)合材料制造上一個(gè)里程碑的突破。
新型材料碳纖維——碳纖維氈
同時(shí)，碳納米管薄膜還具有優(yōu)秀的防彈性能，初步試驗(yàn)表明，在高性能纖維防彈材料衣中嵌入蘇州納米所研制的碳納米管薄膜后，不僅防彈性能提高了10%左右，而且最重要的是其抗沖擊性能提高了21%。也就是說(shuō)，原先防彈頭盔可能防住了子彈射穿，但子彈帶來(lái)的沖擊后效應(yīng)力很可能使頸椎折斷，對(duì)頭部造成非貫穿性損傷。而加入碳納米管薄膜的防彈頭盔則減少甚至避免了上述傷害。由于以上披露的碳納米管薄膜應(yīng)用公開(kāi)資料性能表現(xiàn)十分理想，經(jīng)多次考察后，歐洲空客公司決定和蘇州納米所展開(kāi)通力合作，并迅速形成規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化，來(lái)進(jìn)一步減輕飛機(jī)重量，提升飛機(jī)的安全性、舒適性。
新型材料碳纖維——碳纖維動(dòng)車