科创中国

行业领域

新材料产业,高性能纤维及制品和复合材料

需求背景

聚合物基复合材料的比强度、比刚度高及可设计性等特点,使其在工程结构中得到了广泛的应用,已成为航空航天领域使用的四大结构材料之一。由于树脂、纤维和工艺的影响,复合材料出现缺陷的概率较大。复合材料结构,特别是层合结构对实际工程中很难避免的冲击损伤比较敏感。基于微纳传感器在复合材料结构健康监测领域的显著优势,本文将碳纳米纸薄膜和石墨烯/环氧树脂基薄膜作为应变传感器监测复合材料结构件的低速冲击损伤。在拉伸条件下,对矩形和圆形碳纳米纸薄膜进行了0°,45°和90°方向的测试,发现圆形碳纳米纸薄膜作为应变传感器具有较高且稳定的传感系数,稳定范围在***1***之间。并将其作为全向传感器用于低速冲击损伤监测,同时,对比超声C扫描结果,发现碳纳米纸传感器不仅可以灵敏感知低速冲击损伤,并且通过分析全向传感器电阻变化率可以确定损伤位置。

需解决的主要技术难题

碳纳米纸复合材料雷击损伤仿真：对复合材料进行电-热耦合有限元分析，利用ABAQUS软件进行碳纳米管复合材料电-热耦合仿真模拟，以及不同因素（碳纳米纸层数、复合材料密度、热导率、电导率等）影响分析。

期望实现的主要技术目标

仿真模拟碳纳米管复合材料的防雷击效果，与样件试验结果最大误差小于10%，达到碳纳米纸复合材料的防雷击效果不弱于铜网复合材料的目标。

技术方法和路线：

（1）定义单元类型、材料模型和初始边界条件；

（2）加载电流，读取单元温度，达到临界温度，改变材料属性；

（3）电流加载完成，输出温度场，确定损伤面积。

需求解析

解析单位：“科创中国”航空制造产业科技服务团（中国航空学会） 解析时间：2023-11-23

杨亮

中国航空学会

高级工程师

综合评价

碳纳米管具有独特的导电性、很高的热稳定性和本征迁移率，比表大，微孔集中在一定范围内，满足理想的超级电容器电极材料的要求。碳纳米管的电磁效应同样存在着两端正负极场合单极粒子的特质性质，前者是以复合量子态的存在，候着的单极碳粒子的性质是可以组成粒子点阵跃迁跳跃的纳米线，它的能效要有更高的辐射能量存在。 对于层压制造的碳纤维复合材料,所使用的树脂黏合剂在撞击后很容易损伤,造成分层而影响材料的强度,虽然可以用Z-pinning技术或缝合技术增加抗分层性,但这些技术会损伤碳纤维材料的特性.麻省理工学院(MIT)的研究人员在碳纤维复合材料中加入一些微小的碳纳米管(CNT),据称可以使材料的强度增强30%.这些垂直排列的碳纳米管"森林"在一个化学气相沉积炉中自然生长,然后转移到预浸复合材料的表面,当各层压在一起时,纳米管自身进入裂缝,形成纳米管架子把各层黏合在一起.因为碳纳米管比碳纤维小近100万倍,而碳纳米管的表面积又是碳纤维表面积的1000倍,所以由碳纳米管形成的"支架"黏合性能比常用聚合物基要好得多,既能更牢固地把层板黏合在一起,又不会损伤碳纤维.

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