耐 500℃高溫！新型超堅固碳塑料彌補航天制造“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，俄羅斯喀山聯邦大學和喀山國立研究技術大學的科學家們成功研制出一種基于磷酸鹽黏合劑的超堅固碳塑料，引起了廣泛關注。

傳統(tǒng)復合材料在許多領域都有廣泛應用，從飛機制造到日常的曲棍球棍，都能看到它們的身影。然而，這些由有機聚合物黏合劑制成的復合材料存在一些“軟肋”。一方面，有機黏合劑易燃，這在一些對安全性要求極高的領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域對耐受 500℃以上高溫不燃材料的需求。

飛機（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發(fā)版權糾紛）

為了克服這些難題，科研團隊另辟蹊徑，將目光投向了無機黏合劑。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，并利用碳纖維增強了這些黏合劑的性能。經過物理和機械測試，這些碳纖維增強塑料展現出了極高的抗拉伸、抗彎曲強度和彈性。動態(tài)力學分析結果更是顯示，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塑料表現尤為突出，具有最高的強度和剛度，由其制成的產品能夠耐受 500℃以上的高溫。

這種新型碳塑料的出現，為眾多領域帶來了新的希望。在航空航天領域，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，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。與有機黏合劑的塑料不同，最新研制出的復合材料在使用過程中不會污染環(huán)境。當這些材料分解后，會變成黏土和磷肥的成分，實現了資源的可循環(huán)利用。

要進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：

- 繼續(xù)研發(fā)新型磷酸鹽黏合劑配方，通過調整磷酸鋁、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，以增強黏合劑在高溫下的穩(wěn)定性。

- 探索其他類型的無機黏合劑，如硅酸鹽、硼酸鹽等，與現有的磷酸鹽黏合劑進行對比和組合，以發(fā)現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，如具有更高強度、更高模量和更好耐熱性能的特種碳纖維。可以與碳纖維生產廠家合作，共同研發(fā)專門用于這種新型碳塑料的高性能碳纖維。

- 對碳纖維進行表面處理，提高其與黏合劑的結合力，從而更好地發(fā)揮碳纖維的增強作用。例如，可以采用化學氣相沉積、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絡，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

1. 制備工藝優(yōu)化：

- 改進碳塑料的制備工藝，如采用更先進的成型方法，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，優(yōu)化工藝條件，使黏合劑與碳纖維更好地結合，形成更穩(wěn)定的結構。

2. 熱處理工藝：

- 對制備好的碳塑料進行適當的熱處理，可以提高材料的結晶度和有序度，從而提高耐熱性能。例如，可以在一定溫度下進行退火處理，消除材料中的內應力，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。

三、結構設計

1. 多層結構設計：

- 設計多層結構的碳塑料，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構。例如，可以在材料表面設置一層耐熱性更好的涂層，中間層為碳纖維增強的磷酸鹽黏合劑，底層為具有一定強度和韌性的基底材料。

- 研究多層結構的設計原理和制備方法，確保各層之間的結合力和協同作用，以提高材料的整體耐熱性能。

2. 三維結構設計：

- 利用先進的制造技術，如 3D 打印等，設計和制備具有復雜三維結構的碳塑料。這種結構可以提高材料的力學性能和耐熱性能，同時還可以實現個性化定制和輕量化設計。

- 研究三維結構對材料性能的影響規(guī)律，優(yōu)化結構設計參數，以獲得最佳的耐熱性能和力學性能。

四、性能測試與評估

1. 建立完善的測試方法：

- 制定科學合理的耐熱性能測試標準和方法，確保測試結果的準確性和可靠性。可以參考國際標準和行業(yè)規(guī)范，結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：

- 根據性能測試結果，分析影響材料耐熱性能的因素，及時調整材料配方、工藝和結構設計。通過不斷的優(yōu)化和改進，逐步提高新型碳塑料的耐熱性能。

總之，要進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、結構設計和性能測試等多個方面進行綜合考慮和研究。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，為各個領域的應用提供更好的材料選擇。

俄羅斯科學家們研制出的這種耐 500℃高溫超堅固碳塑料，是材料領域的一項重大創(chuàng)新。它不僅在性能上超越了傳統(tǒng)復合材料，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域發(fā)揮重要作用，為人類的進步和發(fā)展做出貢獻。