碳納米管、石墨烯材料在航空領域的應用

納米技術是通過對納米尺度物質的操控來實現材料、器件和系統的創造和利用，例如，在原子、分子和超分子水平上的操控納米技術的發展正越來越成為世界各國科技界所關注的焦點,誰能在這一領域取得優點,誰就能占據21世紀科學的制高點。納米碳材料是指尺度至少有一維小于100納米的碳材料。納米碳材料主要包括四種類型：納米碳球、碳納米管、石墨烯和碳炔，其中碳納米管和石墨烯由于其優異的性能，是近年來的研究熱點。
 
         碳納米管的彈性模量與金剛石的基本相同，為已知的zui高材料模量，約為鋼的5倍；其彈性應變zui高可達12%，約為鋼的60倍而密度僅為鋼的幾分之一。碳納米管的強度大約比其他纖維的強度高200倍，可以經受約100萬個大氣壓的壓力而不破裂。碳納米管表現出良好的導電性，在一定方向，導電率可達銅的一萬倍；碳納米管的熱傳導系數高于天然金剛石和石墨原子基面。
 
         石墨烯目前是世上zui薄也是zui堅硬的納米材料，它幾乎*透明，只吸收2.3%的光；導熱系數是金剛石的3倍；常溫下電子遷移率是商用硅材料的140倍；電阻率比銅和銀更低，是目前電阻率zui小的材料；單層石墨烯的比表面積是活性炭的1.75倍；具有*的剛度和硬度，強度是鋼的100多倍。
 
         目前碳納米管和石墨烯材料在多個領域開展研究，并逐步走向應用。
 
         其中，碳納米管在航空領域的進展有：
 
         美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員開發出一種均勻的多壁碳納米管為基礎的涂料，可降低常用的泡沫的內飾的易燃性。與未處理的泡沫相比，碳納米管涂覆聚氨酯泡沫體的燃燒性降低了35％。研究人員將改性的碳納米管均勻地分布并附著在聚合物層的上表面和下表面。由此產生的涂層，充分利用了碳納米管的快速散熱能力，與常用于軟裝飾的溴化阻燃劑相比，實現了更大的點火和燃燒阻力。同時當納米管涂層泡沫暴露在高溫中，會創建一個“炭保護層”屏障防止熔體池形成。
 
         美國研制出*基于碳納米管的中央處理器。2013年10月，美國斯坦福大學采用與同硅互補金屬氧化物半導體（CMOS）*兼容的工藝研制出**基于碳納米場效應晶體管的中央處理器原型。該處理器芯片面積為6.5mm2，由178個晶體管組成，每一個晶體管由10~200納米場的數個碳納米管組成，盡管該處理器的工作頻率僅為1kHz，與主頻108~740kHz的*商用硅基計算機In4004存在巨大差距，目前僅能做演示和驗證，但兩者均采用相同的馮諾伊曼體系結構，都具有可編程能力，可串行執行多種計算任務，并運行基本的操作系統。與傳統晶體管相比，碳納米管體積更小，傳導性也更強，并且能夠支持快速開關，因此其性能和能耗表現也遠遠好于傳統硅材料。
 
         麻省理工學院航空航天工程師開發出一種碳納米管(CNT)薄膜，可以加熱并固化復合材料，而不需要熱壓罐。當連接到一個電源，包裹在一個多層聚合物復合材料中的薄膜就會加熱，促使聚合物固化。研究小組在常見的飛機碳纖維材料部件中測試了該薄膜，發現該薄膜可制造出強度與傳統熱壓罐固化的一樣的復合材料，但只使用了百分之一的能量。研究人員表示，碳納米管薄膜很輕，添加重量可以忽略不計，在其熔融進樹脂層后，薄膜本身與復合材料形成網格。MIT的技術直接接觸需要加熱的部分，這種復合材料固化方法更直接，更節能。可代替四層樓高的熱壓罐，以及數千萬美元的基礎設施。
 
         碳納米管和石墨烯在航空工業中可用作結構材料、電磁屏蔽、透明、防靜電、防雷擊、耐雨蝕、除冰涂料、電纜材料等。
 
         石墨烯材料在航空領域的進展有：
 
         韓國開發出石墨烯和金屬*復合材料。韓國科學技術研究院的研究人員，通過在含銅和鎳的復合材料中使用石墨烯，發現了金屬-石墨烯納米層合復合材料中單原子層石墨烯具有強化效應。研究人員在金屬沉積的基體上用化學沉積方法（CVD）生長單層的石墨烯；然后再沉積上另一層金屬，重復上述步驟，就能得到一個多層的金屬—石墨烯復合材料。銅基復合材料的強度變為純銅強度的500倍；鎳基復合材料的強度變為純鎳的180倍。0.0004%質量分數的石墨烯就能將材料強度提高數百倍，特別是利用卷對卷加工或金屬燒結法開發大規模生產，使生產航天器用輕質、超高強部件成為可能。
 
         英國石墨烯增強碳纖維復合材料獲得進展。加的夫大學工程學院在碳纖維樹脂基復合材料中加入石墨烯納米薄片（GNP）/碳納米管（CNT），用以提高碳纖維的增強能力。研究中觀測到的結果是，FLG抗壓強度增加了13%，抗沖擊性能提高了50%。這將對未來復合材料結構開發產生極大幫助，驗證了未來減重、環保和減排的飛機設計的可能性。
 
         美用“石墨烯紙”開發出超級電容器。麻省理工的研究團隊研究發現，將石墨烯紙揉皺成一團，可以制備的超級電容器。組成一個電容器需要兩個導電層——即兩張皺巴巴的石墨烯紙中間夾一個隔離層。超級電容器上隔離層采用的是水凝膠材料。石墨烯紙可以揉皺，平復1000次，且性能不發生明顯降低。制成的超級電容器易于彎曲、折疊或拉伸到其原始大小的800%。這種將石墨烯起皺的技術不僅可用于制造超級電容器，也可以有其他應用。
 
         英國劍橋大學的研究人員開發出*可彎曲的石墨烯柔性屏幕，在柔性顯示屏的研究上更進一步。劍橋大學的新發明使用電泳顯示器，通過電場將粒子懸浮。與大多數顯示屏不同的是，新的顯示屏采用軟塑料和石墨烯底板取代傳統的金屬電極。石墨烯比傳統的陶瓷如銦錫氧化物更加柔韌，比金屬薄膜更加透明；且石墨烯更易于加工和生產，生產成本更低。石墨烯可用于創建提供全彩色高清圖像顯示屏。此外，使用石墨烯底板將允許嵌入傳感器，使顯示屏更能與觀眾互動，可滿足未來柔性電子設備發展需求。