德克薩斯 A&M 大學(xué)的研究人員開發(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。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：如果通過增加晶體數(shù)量來提高強(qiáng)度，它會(huì)變脆，但如果通過增加無(wú)定形區(qū)域來解決脆性，則強(qiáng)度會(huì)顯著降低。由于快速加熱和冷卻過程沒有足夠的時(shí)間形成晶體，因此快速制造過程會(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，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)過程中開發(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，研究人員將尋求提供物理證據(jù)，證明他們的制造過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。
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