耐 500℃高溫！新型超堅固碳塑料彌補(bǔ)航天制造“軟肋”？

作者：黃湘紅 段躍初

在科技飛速發(fā)展的今天，材料領(lǐng)域的創(chuàng)新不斷為各個行業(yè)帶來新的突破。近日，俄羅斯喀山聯(lián)邦大學(xué)和喀山國立研究技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們成功研制出一種基于磷酸鹽黏合劑的超堅固碳塑料，引起了廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)復(fù)合材料在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，從飛機(jī)制造到日常的曲棍球棍，都能看到它們的身影。然而，這些由有機(jī)聚合物黏合劑制成的復(fù)合材料存在一些“軟肋”。一方面，有機(jī)黏合劑易燃，這在一些對安全性要求極高的領(lǐng)域無疑是一個重大隱患。另一方面，其最高工作溫度只有 300—450℃，難以滿足航空或航天等高精尖領(lǐng)域?qū)δ褪?500℃以上高溫不燃材料的需求。

飛機(jī)（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

為了克服這些難題，科研團(tuán)隊另辟蹊徑，將目光投向了無機(jī)黏合劑。他們成功研制出基于磷酸鋁、磷酸鋁硼和磷酸鋁鉻黏合劑的碳塑料，并利用碳纖維增強(qiáng)了這些黏合劑的性能。經(jīng)過物理和機(jī)械測試，這些碳纖維增強(qiáng)塑料展現(xiàn)出了極高的抗拉伸、抗彎曲強(qiáng)度和彈性。動態(tài)力學(xué)分析結(jié)果更是顯示，這些材料具有超乎尋常的耐熱性能。其中，基于磷酸鋁鉻的碳纖維增強(qiáng)塑料表現(xiàn)尤為突出，具有最高的強(qiáng)度和剛度，由其制成的產(chǎn)品能夠耐受 500℃以上的高溫。

這種新型碳塑料的出現(xiàn)，為眾多領(lǐng)域帶來了新的希望。在航空航天領(lǐng)域，高溫環(huán)境是常態(tài)，對材料的耐熱性能要求極高。這種超堅固碳塑料的出現(xiàn)，有望為飛行器的制造提供更可靠的材料選擇，提高飛行器的安全性和性能。在其他高溫工作環(huán)境下，如工業(yè)生產(chǎn)中的某些特殊環(huán)節(jié)，也可以考慮使用這種新型材料，以提高生產(chǎn)效率和安全性。

此外，這種新型材料還具有環(huán)保的優(yōu)勢。與有機(jī)黏合劑的塑料不同，最新研制出的復(fù)合材料在使用過程中不會污染環(huán)境。當(dāng)這些材料分解后，會變成黏土和磷肥的成分，實現(xiàn)了資源的可循環(huán)利用。

要進(jìn)一步提高這種新型碳塑料的耐熱性能，可以從以下幾個方面考慮：

一、材料優(yōu)化

1. 黏合劑改進(jìn)：

- 繼續(xù)研發(fā)新型磷酸鹽黏合劑配方，通過調(diào)整磷酸鋁、磷酸鋁硼和磷酸鋁鉻等黏合劑的成分比例，尋找更優(yōu)的耐熱組合。例如，可以嘗試添加一些具有特殊耐熱性能的微量元素，以增強(qiáng)黏合劑在高溫下的穩(wěn)定性。

- 探索其他類型的無機(jī)黏合劑，如硅酸鹽、硼酸鹽等，與現(xiàn)有的磷酸鹽黏合劑進(jìn)行對比和組合，以發(fā)現(xiàn)更耐熱的黏合劑體系。

2. 碳纖維優(yōu)化：

- 選用更高性能的碳纖維，如具有更高強(qiáng)度、更高模量和更好耐熱性能的特種碳纖維?？梢耘c碳纖維生產(chǎn)廠家合作，共同研發(fā)專門用于這種新型碳塑料的高性能碳纖維。

- 對碳纖維進(jìn)行表面處理，提高其與黏合劑的結(jié)合力，從而更好地發(fā)揮碳纖維的增強(qiáng)作用。例如，可以采用化學(xué)氣相沉積、等離子體處理等方法，在碳纖維表面形成一層與黏合劑相容性更好的涂層。

3. 添加耐熱填料：

- 引入耐熱性好的無機(jī)填料，如納米氧化鋁、納米氧化硅、碳化硅等。這些填料可以在材料中形成耐熱網(wǎng)絡(luò)，提高材料的整體耐熱性能。同時，填料的加入還可以提高材料的強(qiáng)度和硬度。

- 研究不同填料的粒徑、形狀和含量對材料耐熱性能的影響，找到最佳的填料組合和添加量。

二、工藝改進(jìn)

1. 制備工藝優(yōu)化：

- 改進(jìn)碳塑料的制備工藝，如采用更先進(jìn)的成型方法，如熱壓成型、注塑成型等，以提高材料的致密性和均勻性，從而提高耐熱性能。

- 控制制備過程中的溫度、壓力和時間等參數(shù)，優(yōu)化工藝條件，使黏合劑與碳纖維更好地結(jié)合，形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

2. 熱處理工藝：

- 對制備好的碳塑料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以提高材料的結(jié)晶度和有序度，從而提高耐熱性能。例如，可以在一定溫度下進(jìn)行退火處理，消除材料中的內(nèi)應(yīng)力，提高材料的穩(wěn)定性。

- 研究不同熱處理溫度和時間對材料耐熱性能的影響，找到最佳的熱處理工藝參數(shù)。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計

1. 多層結(jié)構(gòu)設(shè)計：

- 設(shè)計多層結(jié)構(gòu)的碳塑料，將不同性能的材料組合在一起，形成具有梯度耐熱性能的結(jié)構(gòu)。例如，可以在材料表面設(shè)置一層耐熱性更好的涂層，中間層為碳纖維增強(qiáng)的磷酸鹽黏合劑，底層為具有一定強(qiáng)度和韌性的基底材料。

- 研究多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和制備方法，確保各層之間的結(jié)合力和協(xié)同作用，以提高材料的整體耐熱性能。

2. 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計：

- 利用先進(jìn)的制造技術(shù)，如 3D 打印等，設(shè)計和制備具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的碳塑料。這種結(jié)構(gòu)可以提高材料的力學(xué)性能和耐熱性能，同時還可以實現(xiàn)個性化定制和輕量化設(shè)計。

- 研究三維結(jié)構(gòu)對材料性能的影響規(guī)律，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，以獲得最佳的耐熱性能和力學(xué)性能。

四、性能測試與評估

1. 建立完善的測試方法：

- 制定科學(xué)合理的耐熱性能測試標(biāo)準(zhǔn)和方法，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。可以參考國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，結(jié)合新型碳塑料的特點，建立適合的測試方法。

- 采用多種測試手段，如熱重分析、差示掃描量熱分析、動態(tài)熱機(jī)械分析等，全面評估材料的耐熱性能。

2. 持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)：

- 根據(jù)性能測試結(jié)果，分析影響材料耐熱性能的因素，及時調(diào)整材料配方、工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，逐步提高新型碳塑料的耐熱性能。

總之，要進(jìn)一步提高這種新型碳塑料的耐熱性能，需要從材料優(yōu)化、工藝改進(jìn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能測試等多個方面進(jìn)行綜合考慮和研究。通過不斷的創(chuàng)新和努力，相信可以開發(fā)出性能更優(yōu)異的耐熱碳塑料，為各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供更好的材料選擇。

俄羅斯科學(xué)家們研制出的這種耐 500℃高溫超堅固碳塑料，是材料領(lǐng)域的一項重大創(chuàng)新。它不僅在性能上超越了傳統(tǒng)復(fù)合材料，還具有環(huán)保的特點，為未來的科技發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用提供了新的可能性。相信在不久的將來，這種新型材料將會在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類的進(jìn)步和發(fā)展做出貢獻(xiàn)。