碳纳米管增强复合材料助力船舶和车辆发展

碳纳米管由石墨烯片层卷曲而成，于1991年由日本科学家首次发现。Zyvex技术公司的总裁兰斯·克里斯库罗（Lance Criscuolo）解释说：“理论上来讲，如果能将高强度的纳米粒子复合到各种各样的材料中，那么就能将纳米材料的强韧特性注入到其它材料中。但事实并非如此。如果将碳纳米管原料直接添加到复合材料中，碳纳米管就会团聚在一起，就像满是面粉疙瘩的蛋糕糊一样。”

▲ 使用碳纳米管合成材料的船舶

许多研究人员正在研究使用碳纳米管制造有用的复合材料的方法。而鉴于碳纳米管的优异性能，其在制造强度更高、质量更轻的航天器方面存在巨大的应用潜力。为了对碳纳米管复合材料进行应用，NASA发布了多个招标项目。NASA国际空间站研究规划办公室的负责人布拉德·法尔斯（Brad Files）解释说：“NASA正在通过种技术非常关键。在NASA的支持下，我们实现了碳纳米管的功能化，并利用其与基体的良好相容性获得了更好的材料性能。这些项目支持，以及后续美国国防预先研究计划局（DARPA）的资助，对于Zyvex公司开发碳纳米管应用技术并进行推广提供了重要的支撑。”2007年，Zyvex公司进行重组调整，分拆为3家独立的公司，Zyvex实验室有限责任公司就是其中之一。

通常，材料的刚性与韧性是一对矛盾体：刚性很强的材料往往易碎，比如玻璃，而弹性较高的材料往往刚性不足，比如橡胶。但是，采用碳纳米管增强的树脂可显著提高碳纤维复合材料的韧性，而不会降低其强度，甚至还能够提高其刚性。在树脂中加入碳纳米管有助于提高材料的抗磨损性，延长材料表面的磨损寿命，还有助于将能量转移到强度更高的纤维上，提高其断裂韧性。兰斯·克里斯库罗解释说：“这些又长又薄的微小碳纳米管随机分散在树脂中。当复合材料出现裂纹时，裂纹总会沿着最小阻力的方向扩展。而碳纳米管的存在，延长了其裂纹的扩展路径，从而提高了复合材料的断裂强度。”

在SBIR计划项目合同完成之后，Zyvex公司几乎立刻就在体育用品制造商中找到了客户。由于碳纳米管增强复合材料兼具优异的韧性、强度、轻质等特性，因此，吸引了棒球球棒和自行车的生小企业创新研究（SBIR）计划征集不同的碳纳米管应用方法。其中一项投标书来自Zyvex技术公司。”

2003年～2006年间，NASA和Zyvex技术公司共签订了4份SBIR计划项目合同。前2份合同研究的重点是如何将碳纳米管复合到功能材料中，后2份合同关注如何利用这种碳纳米管增强复合材料开发一种轻质的辐射屏蔽材料。Zyvex技术公司的研究人员设计了一种聚合物，其能够对碳纳米管进行改性，使其均匀地分散在树脂中，从而实现对碳纤维编织材料的增强。通过与NASA合作，Zyvex技术公司研发出了使高浓度碳纳米管在环氧树脂等树脂中具有优异分散效果的技术，促进了碳纳米管在复合材料中的应用。

Zyvex实验室有限责任公司的总裁约翰·兰德尔强调：“NASA的资助对于Zyvex公司成功开发这产商（这一技术转移案例刊登在《Spinoff 2007》报告中）。

▲ 使用碳纳米管复合材料的车辆制品

从那时起，Zyvex公司大力投入建设其产品生产线。目前，Zyvex公司可提供6种不同配方的碳纳米管添加剂，产品名称为ZNT，可根据客户的需求添加到不同的树脂中。此外，Zyvex公司也生产复合材料，产品名称为Arovex，这种复合材料由预处理的碳纤维、玻璃纤维和其它材料，以及添加了碳纳米管的环氧树脂复合而成。

尽管部分行业，如航空航天和海洋工程领域，在新材料的应用方面较为谨慎，但这些领域的客户也表现出了对这种复合材料的兴趣。约翰·兰德尔说：“一种新的结构材料的应用需要经过很长时间的验证，特别是在航空航天领域。但这是可以理解的，因为将一种主要结构材料应用到携带乘客飞行的飞行器上，涉及乘客的生命安全，必须非常慎重。”

Zyvex公司的其中一家客户正在将这种复合材料应用于船舶停靠甲板。这些甲板允许较小的船舶驶入其中，其停靠区要求具有较高的强度和韧性，因为当小型船舶到达时，其螺旋桨仍在旋转，可能会撞坏其它船舶的甲板。该客户采用了Zyvex公司的复合材料，在不增加重量的情况下提高了材料的强度和韧性，而不是通过增加船舶底部复合材料的厚度和重量。

兰斯·克里斯库罗说：“Zyvex公司也在采用与在NASA项目支持下开发的相同的技术，将碳纳米管引入橡胶及其它柔性材料中，应用于轮胎、密封圈、垫圈，以及O形圈等。此外，Zyvex公司还将其转移应用于热塑性材料中，研究其在医疗设备中的应用。”例如，在美国国立卫生研究院的许可下，Zyvex公司与一家医疗器械公司合作，采用碳纳米管复合材料开发了一种用于插入动脉的气囊导管，以帮助清除血管中的堵塞物质。碳纳米管能够提高气囊导管的抗破裂强度，因为这些导管的管壁非常薄。他表示：“与NASA的合作加速了Zyvex公司进入碳纳米管商业应用的能力，大幅缩短了相关产品开发的时间周期。”

布拉德·法尔斯说：“虽然这种碳纳米管复合材料技术未能立即在NASA的航天项目中获得应用，但是，从NASA的角度来看，此次合作是非常成功的。将该技术转移应用于商业领域是非常重要的。在纳米技术发展的早期阶段，各行各业都在积极推动其发展。我们并不知道那些技术可为NASA服务，哪些技术可为工业部门或其他政府部门服务。Zyvex公司能够在NASA的支持下对纳米技术进行研究，并将研究成果应用于商业领域。NASA则一直在寻找并开发这种类型的技术。” (唐 甜)

▲ 碳纳米管结构示意图