碳納米管是由卷繞的石墨烯片形成的分子結(jié)構(gòu),其形成單壁或多壁同心連接的納米管。碳納米管還具有獨特的物理特性,使其在航空航天領(lǐng)域的創(chuàng)新材料合成中具有吸引力。
碳納米管在航空航天中的應(yīng)用
現(xiàn)代飛機(jī)的結(jié)構(gòu)由各種復(fù)合材料組裝成多層糕點狀結(jié)構(gòu)。領(lǐng)先的飛機(jī)制造商使用復(fù)合材料(例如碳纖維增強(qiáng)塑料)建造客機(jī)。與傳統(tǒng)鋁制飛機(jī)相比,先進(jìn)的復(fù)合材料具有卓越的耐用性,并顯著減輕了飛機(jī)的整體重量。
雖然最先進(jìn)的復(fù)合材料具有非凡的性能,但它們很脆弱。與金屬不同,金屬在分裂前可以承受重大沖擊,而多層復(fù)合材料可能會因最小的沖擊而損壞。
使用碳納米管解決復(fù)合材料的問題
工程師們找到了一種使用碳納米管生產(chǎn)航空級復(fù)合材料的方法,并解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料的局限性。與以前的復(fù)合材料相比,所得材料更加耐用,并且具有更好的抗損壞性。工程師們設(shè)計了一種替代方案,其中包含碳納米管,碳納米管是原子薄的碳線圈,具有超高的強(qiáng)度。
研究人員開發(fā)了一種將碳納米管小“森林”嵌入類似于膠水的聚合物基質(zhì)中的技術(shù)。然后,科學(xué)家們將這種膠狀結(jié)構(gòu)夾在碳纖維層之間。這些管子看起來像垂直方向的線,進(jìn)入復(fù)合材料層之間的空間,充當(dāng)將它們牢固地固定在一起的基礎(chǔ)。這項新技術(shù)增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)完整性,提高了其在航空應(yīng)用中的效率和壽命(Guzman 等人,2016)。
碳納米管在衛(wèi)星中的應(yīng)用
CNT 的導(dǎo)電性在天線設(shè)計中具有實際用途,其性能比傳統(tǒng)天線提高了二十倍。此外,碳納米管的導(dǎo)電性可以實現(xiàn)出色的電磁輻射防護(hù)。碳納米管在改進(jìn)電池技術(shù)方面尤其重要,因為它們用作電極材料可以提高能量密度,同時應(yīng)對高溫(Prasad 等人,2018)。
碳納米管是有價值的添加劑材料,與其他元素結(jié)合可以構(gòu)建太空結(jié)構(gòu)。它們出色的導(dǎo)熱性使它們非常適合生產(chǎn)有效吸收光的材料。這一特性可減少雜散光,也可用作太陽能電池板涂層,大幅提高太陽能電池板的光吸收能力(Gohardani et al., 2018)。
推進(jìn)器是衛(wèi)星推進(jìn)的重要組成部分,可以從 CNT 的場發(fā)射能力中受益匪淺。納米管通過提高每個組件的性能來提高衛(wèi)星的整體效率(Prasad 等人,2018)。
碳納米管的挑戰(zhàn)和局限性
雜質(zhì)、不均勻的形態(tài)和結(jié)構(gòu)、疏水性和成束傾向只是碳納米管在航空航天應(yīng)用中使用的一些障礙。
許多挑戰(zhàn)阻礙著碳納米管完全融入航空航天業(yè)的道路。雖然碳納米管在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大,但科學(xué)家們尚未充分認(rèn)識到碳納米管在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的實際優(yōu)勢。
為了充分利用碳納米管在商業(yè)運(yùn)輸行業(yè)中的優(yōu)勢,克服與航空航天領(lǐng)域?qū)嵤┨技{米管相關(guān)的挑戰(zhàn)是相關(guān)的。這些挑戰(zhàn)包括:
大規(guī)模生產(chǎn)碳納米管零件的能力。
確保以相對較低的成本獲得高質(zhì)量的材料。
實現(xiàn)優(yōu)化的性能。
解決碳納米管對人類安全和健康的擔(dān)憂。
開發(fā)回收方法以盡量減少對環(huán)境的影響。
未來展望和研究方向
美國宇航局最近宣布了其航空航天研究計劃,強(qiáng)調(diào)開發(fā)更安全、運(yùn)行效率更高、對環(huán)境影響更小的飛機(jī)。該研究計劃包括將納米技術(shù)(特別是碳納米管)融入航空航天應(yīng)用的新型材料。其正在廣泛研究碳納米管,相信它們可以在航空航天業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。
Whipple 防護(hù)罩是一種旨在保護(hù)航天器/衛(wèi)星免受微流星體和軌道碎片影響的防護(hù)罩,是一個有趣的 CNT 研究領(lǐng)域。當(dāng)將碳納米管納入衛(wèi)星復(fù)合材料中時,碳納米管可能有助于顯著提高其抗沖擊性(Gohardani 等人,2018)。
航天器的熱管理是其太空運(yùn)行的一個重要方面。任何空間系統(tǒng)的熱管理都依賴于有效的熱傳遞,以將設(shè)備保持在其運(yùn)行范圍內(nèi)。由于碳納米管是有效的熱導(dǎo)體,因此它們可用于制造散熱器、熱管道、加熱器和絕緣體等部件的復(fù)合材料,以提高熱管理系統(tǒng)的性能(Gohardani 等人,2018)。
納米技術(shù)領(lǐng)域不斷發(fā)展的動態(tài)表明它涵蓋了各個科學(xué)學(xué)科的應(yīng)用。因此,與航空科學(xué)相關(guān)的革命性碳納米管相關(guān)想法的未來可能性是相當(dāng)令人鼓舞的。
文章來源:Carbontech