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高电导率、低热导率复合材料研究又进一步,有望用于航天领域

发布日期: 2017/10/19 15:32:57浏览次数: : 798 新闻编辑:
同时兼具高导电性以及低导热性的轻型复合材料在航空航天、海洋和能源应用等领域中具有无可替代的地位,是工程人员梦寐以求的材料,但在实际生产中却困难重重。现在研究人员认为他们可以通过将由碳纳米纤维覆盖的空心玻璃微珠填充到复合材料中的方法解决材料生产中遇到的问题。


空心玻璃微珠(Hollow glass microspheres)是一种经过特殊加工处理的玻璃微珠,其主要特点是密度较玻璃微珠更小,导热性更差。它是上个世纪五、六十年代发展起来的一种微米级新型轻质材料,其主要成分是硼硅酸盐,一般粒度为10~250μm,壁厚为1~2μm,空心玻璃微珠具有抗压强度高、熔点高、电阻率高、热导系数和热收缩系数小等特点,它被誉为21世纪的"空间时代材料"。空心玻璃微珠具有明显的减轻重量和隔音保温效果,使制品具有很好的抗龟裂性能和再加工性能,被广泛地使用在玻璃钢、人造大理石、人造玛瑙等复合材料以及石油工业、航空航天、新型高速列车、汽车轮船、隔热涂料等领域,有力地促进了我国科技事业的发展。
 
通过化学气相沉积法合成碳纳米纤维从而形成的混合填料,覆盖在空心玻璃微珠的表面上。(由Roberto Guzman de Villoria提供)
 
空心玻璃微珠凭借其质量轻、导热系数小的特点,成为了优异的聚合物复合材料添加剂。但是,由于玻璃微珠与聚合物基体之间相互作用程度很低,因此复合材料的强度有所下降。考虑到碳纳米管和碳纳米纤维优良的导电性,研究人员考虑将其作为聚合物复合材料的填充物。为了得到适宜的平衡性能,研究人员试图将这些填料较好的属性整合在一起。
 
西班牙复合材料研发应用中心(FIDAMC)的Roberto Guzman de Villoria解释说:“我们打算将空心玻璃微珠的低热导率和碳纳米纤维的高导电率结合起来,从而应用于航天工业中隔热设备的制造。”
 
西班牙复合材料研发应用中心(FIDAMC)和IMDEA材料研究所的工作团队并不仅仅只是将两种填充料单纯得添加到聚合物中,而是研制了一种新的混合填料。研究人员选择空心微球作为填料的基体,微球的尺寸范围为20-100μm,由钠-钙-硼硅酸盐玻璃制成,其表面被碳纳米纤维覆盖(碳纳米纤维是利用化学气相沉积法获得),然后将处理好的空心微球嵌入到聚合物基体(聚氨酯丙烯酸酯树脂)中。
 
Guzman de Villoria指出:“通过直接在空心玻璃微球表面培养碳纳米纤维的做法,我们避免了将纳米纤维分散在基质中的复杂操作,从而可以直接将培养好的空心微球作为标准的填充料使用。”
 
研究人员认为,研制所得的复合材料具有易于加工、轻便、导热性低、导电性优良的特点,对于聚合物基复合材料而言,是一种独特的“特性聚合体”。
 
Guzman de Villoria说:“在要求低热导率和高电导率的制造领域,这种材料具有很大的应用前景,例如在目前只能依赖于昂贵材料的热电装置方面。”其他方面的应用可能还包括电子设备中常用的电磁干扰材料以及隔热材料。
 
他补充说:“如果我们能够研制出具有更高的电导率、更低的导热系数的复合材料,那么,在飞机的防雷击保护、静电涂层、电磁屏蔽、绝热等方面,这种材料会受到强烈的追捧。”研究人员认为,他们的工作能够为新一代混合填料的研制打下基础,推进具有新型特性的复合材料的发展。