通過 化學氣相沉積法合成碳納米纖維 從而形成的混合填料, 覆蓋在空心玻璃微珠的表面上. (由Roberto Guzman de Villoria提供)
同時 兼具高導電性以及低導熱性的輕型複合材料在航空航天, 海洋和能源應用等領域中具有無可替代的地位, 是工程人員夢寐以求的材料, 但在實際生產中卻困難重重. 現在研究人員認為他們可以通過將由碳納米纖維覆蓋的空心玻璃微珠填充到複合材料中的方法解決材料生產中遇到的問題. [有關碳納米纖維覆蓋的空心玻璃微珠的研究可參考: Herrera-Ramírezet al, Composites Science&Technology(2017), doi: 10.1016 /j.compscitech.2017.08.020. ]
Ps:空心玻璃微珠(Hollow glass microspheres)是一種經過特殊加工處理的玻璃微珠, 其主要特點是密度較玻璃微珠更小, 導熱性更差. 它是上個世紀五, 六十年代發展起來的 一種微米級新型輕質材料, 其主要成分是硼矽酸鹽 , 一般粒度為10~250μm,壁厚為1~2μm;空心玻璃微珠具有抗壓強度高, 熔點高, 電阻率高, 熱導係數和熱收縮係數小等特點, 它被譽為21世紀的'空間時代材料'. 空心玻璃微珠 具有明顯的減輕重量和隔音保溫效果 , 使製品具有很好的抗龜裂性能和再加工性能, 被廣泛地使用在玻璃纖維, 人造大理石, 人造瑪瑙等複合材料以及石油工業, 航空航天, 新型高速列車, 汽車輪船, 隔熱塗料等領域, 有力地促進了作用我國科技事業的發展.
空心玻璃微珠 憑藉其質量輕, 導熱係數小的特點, 成為了優異的聚合物複合材料添加劑 . 但是, 由於玻璃微球與聚合物基體之間相互作用程度很低, 因此複合材料的強度有所下降. 考慮到碳納米管和碳納米纖維優良的導電性, 研究人員考慮將其作為聚合物複合材料的填充物. 為了得到適宜的平衡性能, 研究人員試圖將這些填料的最優屬性整合在一起.
西班牙複合材料研發應用中心(FIDAMC)的Roberto Guzman de Villoria解釋說: '我們打算 將空心玻璃微珠的低熱導率和碳納米纖維的高導電率結合起來 , 從而應用於航天工業中隔熱設備的製造. '
西班牙複合材料研發應用中心(FIDAMC)和IMDEA材料研究所的工作團隊並不僅僅只是將兩種填充料單純得添加到聚合物中, 而是研製了一種新的混合填料. 研究人員選擇空心微球作為填料的基體, 微球的尺寸範圍為20-100μm, 由鈉-鈣-硼矽酸鹽玻璃製成, 其表面被碳納米纖維覆蓋(碳納米纖維是 利用化學氣相沉積法 獲得), 然後將處理好的空心微球嵌入到聚合物基體(聚氨酯丙烯酸酯樹脂)中.
Guzman de Villoria指出: '通過直接在空心玻璃微球表面培養碳納米纖維的做法, 我們避免了將納米纖維分散在基質中的複雜操作, 從而可以直接將培養好的空心微球作為標準的填充料使用. '
研究人員認為, 研製所得的複合材料具有易於加工, 輕便, 導熱性低, 導電性優良的特點, 對於聚合物基複合材料而言, 是一種獨特的 '特性聚合體' .
Guzman de Villoria說: '在要求低熱導率和高電導率的製造領域, 這種材料具有很大的應用前景, 例如在目前只能依賴於昂貴材料的熱電裝置方面. ' 其他方面的應用可能還包括電子設備中常用的電磁幹擾材料以及隔熱材料.
他補充說: '如果我們能夠研製出具有更高的電導率, 更低的導熱係數的複合材料, 那麼, 在飛機的防雷擊保護, 靜電塗層, 電磁屏蔽, 絕熱等方面, 這種材料會受到強烈的追捧. '
研究人員認為, 他們的工作能夠為新一代混合填料的研製打下基礎, 推進具有新型特性的複合材料的發展.