盘点复合材料的最新创新与应用
摘要：根据市场研究的最新报告，到2021年，功能复合材料市场预计将从2016年286.2亿美元增长到433.5亿美元。
由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的复合材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使其的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。鉴于复合材料具有多种功能性和优异的结构性能，使得它们的应用领域越来越广。下面就一起盘点下近期在复合材料领域有哪些值得关注的最新创新和应用吧！
1、碳纤维复合材料一体式智能自行车
据报道，众筹平台kickstarter最近上线了一款没有花鼓和辐条的智能自行车，据说它是世界上第一台真正意义上的一体式设计自行车。它的框架使用的是超轻碳纤维复合材料，整车仅重25.35磅。
外观上看，该智能自行车乍一看颇有点像《创：光速战记》里面的Light Cycle光轮，它有个十分高端上档次的名字——Cyclotron(回旋加速器)。而据悉这款自行车装备了自充电电池、无轮毂车轮、非充气轮胎、自动光传感器等等，更重要的是，它的框架使用的是超轻碳纤维复合材料，整车仅重25.35磅(整车不含脚踏的重量在11.5kg左右)。车身搭载两个无辐条空心轮胎，外围是一圈由固体聚合物制成的轮圈，带有强烈的未来气息。看起来非常酷炫。
据该公司在众筹页面介绍，为了达到超轻复合材料结构，他们在中央超轻核结构外包裹两层碳纤维，如此可以使用更少的碳纤维和树脂，同时也不降低稳定性。
2、采用石墨烯复合材料制成的跑车
在第七届“欧洲科学开放论坛”举办期间，一款由英国制造商BAC公司推出的单座跑车原型BAC Mono在英国国家石墨烯研究院（NGI）展厅展出。据NGI商业总监詹姆斯•贝克介绍，该车的前后面板和舱口采用石墨烯复合材料制成，从而使得跑车整体更轻、更坚固。
石墨烯作为一种二维新型碳材料，自发现以来由于其优异的特性受到各界的广泛关注，尤其在储能材料、催化剂载体、传感、电极材料、阻燃材料、复合材料等领域具有广泛的应用前景。而目前对于石墨烯的复合方法主要有以下3 种：①对石墨烯进行表面修饰或元素掺杂；②在石墨烯上负载金属或金属氧化物等无机纳米颗粒；③石墨烯与高聚物复合。
石墨烯材料的强度是钢的100倍，具有较高的强度和硬度，但其密度较低，质量较轻，是理想的汽车轻量化材料。将石墨烯作为增强相开发的轻质复合材料可用作汽车车身材料。BAC公司推出的这辆单座跑车原型BAC Mono采用石墨烯复合材料制成前后面板和舱口正是利用了石墨烯材料的这一优良特性，在大大减轻车身重量的同时，也让跑车整体更加坚固，据悉该跑车已通过道路测试。
3、碳纳米管“针”缝出高性能复合材料
据报道，麻省理工学院航天工程师于近日设计了碳纳米管“针”，它可以“穿针引线”使复合材料层间实现良好结合，从而有助于制造出质量更轻、抗损伤性能更强的航天飞机。
在此之前，空客和波音公司最新的载人航天飞机机身主要是由先进的复合材料构成的，譬如用质量极轻且使用性能优异的碳纤维增强塑料代替飞机的铝基材料，可以使其重量减轻约20%。复合材料在飞机上的主要应用优势就在于通过减轻重量以节省燃油消耗。然而，复合材料抗损伤性能较差，其多层结构让它在较小冲击下就很容易发生断裂，成为此应用的一大痛点。
最新报道的碳纳米管“针”是使用碳纳米管将每一层复合材料“栓”在一起。碳纳米管中的薄卷状碳原子虽然“身形”微小，但是强度极高。研究人员在类胶状聚合物基体中嵌入碳纳米管“森林”，然后“压紧”碳纤维复合材料层间的聚合物基体。纳米管就像是细小的竖直排列的“针”，充当多层结构的支架，在层间部位进行“缝合”。 测试结果表明，与现有复合材料相比，经碳纳米管“缝合”的复合材料强度可提升30%，在断裂前能承受更大的作用力。
4、直升机复合材料旋翼螺旋桨叶片
直升机旋翼螺旋桨叶片常用金属材料制作，但叶片在中东沙尘环境中因容易磨损而影响升力。为解决这一难题，俄罗斯正用玻璃纤维和非金属复合材料改造旋翼叶片。
俄罗斯直升机公司的研发人员采用了两种新材料来提高旋翼性能。与翼梁后部衔接的是厚度越来越小的叶片后段。为了尽量减轻这一组件的重量，俄罗斯直升机公司的专家用一种涂有胶液的复合材料完全取代了该组件的传统金属材料。据这家公司的讲解视频显示，当旋翼平放时，其叶片后段的内部结构就像无数个上下开口的六边形蜂窝孔洞。采用非金属复合材料后，这种蜂窝结构更有助于减少 叶片后段的重量，从而使直升机飞得更高。
5、复合材料瘦身航天散热器
俄罗斯联邦“罗马申”国家科学中心近日宣布研制出一种新材料，可以减轻运载火箭的负担，还有助延长卫星在轨寿命。据悉，“罗马申”国家科学中心专家研制出这种新型碳纤维复合材料，具有更高的导热性且重量更轻，可以替代人造卫星散热器中的铝合金材料。测试结果显示，用这种新材料制作的卫星散热器，不但可确保卫星携带的各种设备处于稳定的正常温度范围内，而且能使散热器的总重量削减25％。
据悉航天器的重量每减少1公斤，就能使发射它的运载火箭的重量减少500公斤。另据“罗马申”国家科学中心的专家介绍，人造卫星的散热器减重25%后，可显著提高卫星上的燃料储备，延长卫星在轨工作寿命，同时还能让卫星携带更多探测装备，有助完成更多的考察任务。罗马申”科学中心用新材料制作的4台散热器已通过了验收测试，并将安装在 “拉沃奇金”科学生产公司正在研制的“北极”号气象卫星上。该卫星计划于2017年升空入轨。
来源：DT-高分子在线
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