导言:克服矩形转移的局限性

重力转移模具(RTM)是制造高性能纤维强化聚合物(FRP)的基石,它能够使复杂组件的网状生产具有紧密的耐受性。 虽然碳和玻璃等纤维强化物提供了主要的负载能力,但周围的聚合物基质却起到压力转移和环境保护的媒介作用。 历史上,与强化物相比,该基质是一个限制因素,表现出脆性、低热导力和高渗透性。 纳米材料融入树脂阶段是克服这些局限性的快速成熟战略,在基质不再是最弱元素的地方创造了多尺度复合物。

用于RTM中增强抗振的纳米材料

选择合适的纳米材料取决于目标属性的改善 — — 无论是机械强度、热管理、电导性还是屏障性能。 每一类纳米粒子都给树脂系统带来独特的几何和表面化学。

碳纳诺托贝(CNTs)

碳纳米管是具有特殊拉伸模数和强度的圆柱形纳米结构。多壁碳纳米管(MWCNT)在RTM应用中一般受到青睐,因为与单壁变体相比,其成本较低,且相对容易分散。 当分散良好时,CNT通过裂缝连接和拉出机制提供加固。 研究表明,MWCNT装载量只有0.5-2.0 wt%,可以使环氧复合体的间拉伸强度和裂裂变强度增加30%以上。CNTs还传授电导性,使整个复合结构的内位健康监测等增值功能得以实现。

石墨和石墨氧化物(GO)

GO与极性树脂系统特别兼容,因为含氧功能组在整治过程中促进与环氧分子的强共价结合,这种功能化因素简化了散射,确保填充器和基质之间的强负荷转移,石墨纳米树脂的高度宽比使其在创造气体和水分扩散的曲折路径、降低最终复合材料的渗透性方面非常有效。 风轮机叶片和自动机体板都成功地使用RTM与石墨烯增强环氧树脂一起制造,显示出更高的疲劳性。

纳诺克莱斯(蒙托邦)

表面改良的蒙托莫利岩纳米芯片是目前最具有成本效益的纳米增压剂之一,这些层硅酸盐在完全脱叶后,其侧面比超过100:1. 在RTM树脂中,纳米芯片主要改善屏障特性和阻燃性,脱叶板在燃烧过程中促进焦炭形成,并降低基质的热膨胀系数(CTE),这可以将碳纤维强化部分的剩余压力和振荡降到最低,虽然纳米芯片提供的机械加固量与CNT或石墨烯不同,但其成本低且有利的风切面使其对大规模工业应用具有吸引力。

纳米粒子

低价高量的硅纳米粒子在商业上是可获的,这些球状粒子在刮伤阻力、硬度和抗拉伸模方面提供了可预测的改进。在RTM处理中,良好的散射硅纳米粒子(10-50纳米)可以增加环氧基团的坚硬性,而不会在中度装载时明显增加树脂粘度,这使得它们相对容易融入现有的RTM生产线。 硅-再强化环氧基团被广泛用于航空航天级预孕,现在正在向液体模具过程过渡。

聚面体 聚氨酯 Silsesquioxane(POSS)

POSS纳米结构提供了独特的混合有机无机强化,这些笼状分子只测量1-3纳米,可以设计成直接与聚合物网络反应的功能组,POSS提供分子级散射——避免了与较大纳米粒子相关的许多过滤和凝聚挑战,RTM树脂中的POSS的主要好处是提高了热稳定性,氧化阻力,以及坚韧性,这些特性在高温航空航天应用中特别受到重视.

财产增强机制

了解分子尺度上的纳米粒子与聚合物基质的相互作用,对于优化RTM配方至关重要.

相交阶段的机械加固

纤维加固与聚合物基质之间的相位区域往往是制约复合强度的关键区域. 表面面积高的纳米粒子在这个相位内产生一个属性梯度. 当纳米粒子桥裂裂或偏转生长裂纹前缘时,有效负载转移发生. 在碳纤维/环氧复合物中,加入CNT会增加通过微滴测试测量的间膜剪强度(IFSS),这直接意味着压缩强度和短束剪强度等宏观特性的改善.

热和障碍性能收益

标准聚合物基质是导电性值在0.2 W/mK左右的热绝缘器. 添加高导碳基纳米材料可以通过量级提高基质热导性,在外热解析反应中助热散热,改善最终部分的热管理. 高视率纳米板强力气体和水分分子走曲折路径,大幅降低有效渗透性,这种屏障效应在压力容器和燃料罐等需要低渗透的应用中至关重要.

纳米强化RTM的处理挑战

纳米加固树脂从实验室成功转移到生产规模的RTM,需要认真管理风湿和过滤效应.

风力和注射流

固纳米粒子的引入改变了树脂的流动行为. 高视差-角纳米材料如CNT和石墨诱导剪切行为,在高剪切率下粘度降低。这在RTM中可能有益,因为树脂在注入模具腔时会经历高剪切。然而,在休息时,粘度更高,这可以阻碍树脂湿度的纤维预型。 精确的粘度剖面模型作为剪切率和温度的函数,对于利用PAM-RTM等软件包模拟模组填充过程至关重要。

过滤效应和统一分配

液态模具中的一项具体挑战是纤维前体过滤纳米粒子。如果树脂中存在凝聚物,它们将被纤维拖动捕获,从而沿着流道形成纳米粒子浓度的梯度。这种过滤会导致属性分布不均匀,从而挫败强化的目的。 保持小于纤维间距(通常为10-50微米)的纳米材料凝聚物对于防止选择性过滤至关重要。 表面功能化和高排预混合是达到必要脱脂水平的标准策略。

分散和功能化技术

实现纳米材料在液态树脂中的统一和稳定的分散是成功的先决条件。

物理分散方法

超音速化被广泛用于实验室级批量,引入了引起焦化的高频能量,并分离了纳米粒子聚合物,对于生产级量,高震旋转器-稳压器和三卷磨坊更实用,这些机械方法输入足够的能量来克服范德华力把凝聚物放在一起. 过程优化是避免降低纳米材料结构或使树脂过热所必需的.

化学功能化战略

共价功能化在纳米粒子表面和聚合物基质之间形成永久的化学联系. 硅烷耦合剂是硅和纳米晶体加固的标准. 对于碳纳米材料,氧化处理引入表面碳箱和羟基组,可以直接与环氧硬化剂反应. 表面活性剂包接等非共价方法较简单,但可能使界面变弱,有时可以引入可降低基质玻璃过渡温度的塑化效果.

可扩展性、安全和成本考虑

为使纳米增强型RTM实现工业的广泛采用,必须切实解决经济和安全协议。

成本效益

先进的纳米材料的价格在过去十年中大幅下降,目前每公斤100美元以下,纳米材料的采购价格可低于每公斤10美元,如果纳米材料加速了治疗动力学,则材料成本的增加往往被部分性能的改善和周期时间的缩短所抵消,建议对每个具体应用进行详细的成本效益分析,以证明向纳米强化系统过渡的合理性。

职业安全和处理

吸入空气中的纳米粒子可能带来健康风险,包括肺炎。 处理干燥纳米粉末,包括烟雾罩、封闭混合系统以及HEPA过滤,需要严格的工程控制。 许多制造商正在转向主批格式,其中纳米材料在载体树脂中在高浓度时预先分散,将直接接触降到最低。 遵守NIOSH关于工程纳米材料的准则对于维持安全的工作环境至关重要。

结论和展望

纳米材料融入树脂转移模具过程,可以创造出具有超过标准基质所能实现的性能特性的多尺度复合材料。碳纳米管、石墨、纳米管、硅和半导体提供了独特的财产简介,可用于具体的工业需求。 随着高质量纳米材料的成本持续下降,加工方法更加健全,纳米强化的RTM将成为一种标准制造方法。未来的发展将侧重于纳米流的预测模型、多功能强化战略以及标准特性描述协议,以确保生产环境的一贯质量。