碳納米管增強復合材料助力船舶和車輛發展

碳納米管由石墨烯片層卷曲而成，于1991年由日本科學家首次發現。Zyvex技術公司的總裁蘭斯·克里斯庫羅（Lance Criscuolo）解釋說：“理論上來講，如果能將高強度的納米粒子復合到各種各樣的材料中，那么就能將納米材料的強韌特性注入到其它材料中。但事實并非如此。如果將碳納米管原料直接添加到復合材料中，碳納米管就會團聚在一起，就像滿是面粉疙瘩的蛋糕糊一樣。”

▲ 使用碳納米管合成材料的船舶

許多研究人員正在研究使用碳納米管制造有用的復合材料的方法。而鑒于碳納米管的優異性能，其在制造強度更高、質量更輕的航天器方面存在巨大的應用潛力。為了對碳納米管復合材料進行應用，NASA發布了多個招標項目。NASA國際空間站研究規劃辦公室的負責人布拉德·法爾斯（Brad Files）解釋說：“NASA正在通過種技術非常關鍵。在NASA的支持下，我們實現了碳納米管的功能化，并利用其與基體的良好相容性獲得了更好的材料性能。這些項目支持，以及后續美國國防預先研究計劃局（DARPA）的資助，對于Zyvex公司開發碳納米管應用技術并進行推廣提供了重要的支撐。”2007年，Zyvex公司進行重組調整，分拆為3家獨立的公司，Zyvex實驗室有限責任公司就是其中之一。

通常，材料的剛性與韌性是一對矛盾體：剛性很強的材料往往易碎，比如玻璃，而彈性較高的材料往往剛性不足，比如橡膠。但是，采用碳納米管增強的樹脂可顯著提高碳纖維復合材料的韌性，而不會降低其強度，甚至還能夠提高其剛性。在樹脂中加入碳納米管有助于提高材料的抗磨損性，延長材料表面的磨損壽命，還有助于將能量轉移到強度更高的纖維上，提高其斷裂韌性。蘭斯·克里斯庫羅解釋說：“這些又長又薄的微小碳納米管隨機分散在樹脂中。當復合材料出現裂紋時，裂紋總會沿著最小阻力的方向擴展。而碳納米管的存在，延長了其裂紋的擴展路徑，從而提高了復合材料的斷裂強度。”

在SBIR計劃項目合同完成之后，Zyvex公司幾乎立刻就在體育用品制造商中找到了客戶。由于碳納米管增強復合材料兼具優異的韌性、強度、輕質等特性，因此，吸引了棒球球棒和自行車的生小企業創新研究（SBIR）計劃征集不同的碳納米管應用方法。其中一項投標書來自Zyvex技術公司。”

2003年～2006年間，NASA和Zyvex技術公司共簽訂了4份SBIR計劃項目合同。前2份合同研究的重點是如何將碳納米管復合到功能材料中，后2份合同關注如何利用這種碳納米管增強復合材料開發一種輕質的輻射屏蔽材料。Zyvex技術公司的研究人員設計了一種聚合物，其能夠對碳納米管進行改性，使其均勻地分散在樹脂中，從而實現對碳纖維編織材料的增強。通過與NASA合作，Zyvex技術公司研發出了使高濃度碳納米管在環氧樹脂等樹脂中具有優異分散效果的技術，促進了碳納米管在復合材料中的應用。

Zyvex實驗室有限責任公司的總裁約翰·蘭德爾強調：“NASA的資助對于Zyvex公司成功開發這產商（這一技術轉移案例刊登在《Spinoff 2007》報告中）。

▲ 使用碳納米管復合材料的車輛制品

從那時起，Zyvex公司大力投入建設其產品生產線。目前，Zyvex公司可提供6種不同配方的碳納米管添加劑，產品名稱為ZNT，可根據客戶的需求添加到不同的樹脂中。此外，Zyvex公司也生產復合材料，產品名稱為Arovex，這種復合材料由預處理的碳纖維、玻璃纖維和其它材料，以及添加了碳納米管的環氧樹脂復合而成。

盡管部分行業，如航空航天和海洋工程領域，在新材料的應用方面較為謹慎，但這些領域的客戶也表現出了對這種復合材料的興趣。約翰·蘭德爾說：“一種新的結構材料的應用需要經過很長時間的驗證，特別是在航空航天領域。但這是可以理解的，因為將一種主要結構材料應用到攜帶乘客飛行的飛行器上，涉及乘客的生命安全，必須非常慎重。”

Zyvex公司的其中一家客戶正在將這種復合材料應用于船舶停靠甲板。這些甲板允許較小的船舶駛入其中，其停靠區要求具有較高的強度和韌性，因為當小型船舶到達時，其螺旋槳仍在旋轉，可能會撞壞其它船舶的甲板。該客戶采用了Zyvex公司的復合材料，在不增加重量的情況下提高了材料的強度和韌性，而不是通過增加船舶底部復合材料的厚度和重量。

蘭斯·克里斯庫羅說：“Zyvex公司也在采用與在NASA項目支持下開發的相同的技術，將碳納米管引入橡膠及其它柔性材料中，應用于輪胎、密封圈、墊圈，以及O形圈等。此外，Zyvex公司還將其轉移應用于熱塑性材料中，研究其在醫療設備中的應用。”例如，在美國國立衛生研究院的許可下，Zyvex公司與一家醫療器械公司合作，采用碳納米管復合材料開發了一種用于插入動脈的氣囊導管，以幫助清除血管中的堵塞物質。碳納米管能夠提高氣囊導管的抗破裂強度，因為這些導管的管壁非常薄。他表示：“與NASA的合作加速了Zyvex公司進入碳納米管商業應用的能力，大幅縮短了相關產品開發的時間周期。”

布拉德·法爾斯說：“雖然這種碳納米管復合材料技術未能立即在NASA的航天項目中獲得應用，但是，從NASA的角度來看，此次合作是非常成功的。將該技術轉移應用于商業領域是非常重要的。在納米技術發展的早期階段，各行各業都在積極推動其發展。我們并不知道那些技術可為NASA服務，哪些技術可為工業部門或其他政府部門服務。Zyvex公司能夠在NASA的支持下對納米技術進行研究，并將研究成果應用于商業領域。NASA則一直在尋找并開發這種類型的技術。” (唐 甜)

▲ 碳納米管結構示意圖