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《自然·材料》:超稳定碳纤维!解决太空探索中的材料问题

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发表于 2019-12-31 11:33:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
面对浩瀚宇宙,从古至今人类都充满了疑问:众多星球中,存在类似地球一样的星球吗?除了人类,还有存在其他灵长类的生物吗?等等一系列问题。当然,美国好莱坞推出的一系列大片来满足了普通人的好奇心!然而,根据联合国人口基金会调查显示,在2016年,全世界人口就已经超过了72亿。预计在未来较长一段时间内,人口数量还会持续增加。迫使人类加快对宇宙的探索,希望可以找到类似地球的星球,从而移居部分人类以缓解地球的压力。其实,生产具有超强和超轻结构的材料技术在很大程度上决定了人类对空间的探索、利用以及星球移居的进展。

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图1、选择具有超稳定空间结构材料所面临的挑战

在过去的几十年里,科研人员进行了大量的科学研究,以便开发并制造出能够用于航天器中关键尺寸器件的尺寸超稳定结构的材料。并研发出了碳纤维增强的聚合物材料,导致了结构设计具有接近零的热膨胀系数的特点。然而,由于水分的进入和释放而导致的尺寸不稳定仍然是基体的基本脆弱性,限制了该材料的许多应用。

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基于此,英国萨里大学的S. R. P. Silva教授团队报道了一种机械耦合的多层扩散阻隔增强的碳纤维复合材料,可以显著降低水分的扩散速率,并消除挥发性有机化合物的释放。所制备的BECFRP具有机械完整性和强度,且强度优于CFRP,同时保持不透湿和脱气性。更重要的是,即使在热循环之后,与应力匹配的表面也减少了表面的应力和污染,从而具有更强的附着力和机械完整性。虽然机械集成的壁垒很薄,但是对整体结构的热膨胀系数并没有影响。此外,本文还报道了一种专门设计的等离子体增强化学气相沉积系统,利用该系统能够在单次沉积过程中甚至将复杂形状的三维组件封装起来,而无需要从原材料中看到。同时,也可以选择性地沉积最上层的发射层,以在光学结构周围提供黑体吸收。

【图文解读】

解析:通常,与纤维方向共线的表面方向具有高刚度、低热膨胀系数和低水分膨胀系数,而垂直方向则具有低刚度、高CTE和CME)如图2a所示,将整体温度升高1℃后,CFRP上的碳膜的机械应力变化。而图2a的插图显示了这种涂层的机械应力失效,是沿纤维方向发生。在CFRP的表面和DLC阻挡层间使用聚对二甲苯作为机械缓冲层以使应力最小化。当使用100 nm厚的聚对二甲苯作为缓冲层时,DLC涂层上的机械应力明显降低。通过热应力测试发现,在多次从77-394 K的热应力循环之后,BECFRP中的阻隔涂层也通过了附着力测试。

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图2、CFRP和涂层组件内的应力模型

解析:图3a展示了沉积在CFRP表面上的涂层的横截面,该结构的特征曲率半径为1-2 μm。注意,图3a中CFRP表面波峰上方的孔是样品横截面制备过程的伪影。图3d展示了涂层的机械完整性,即使在液氮中的热应力循环过程中,涂层仍保持与CFRP的粘附。而图3e展示了在制造后涂覆3D空间组件的能力,利用等离子体能够完全包围3D组件的整个表面,因此能在其整个表面上形成涂层。

此外,利用水分吸收测试表明,对于具有不同数量DLC阻隔层的样品,暴露于加速的温度和湿度条件下,该涂层具有作为防潮层的性能。最佳拟合线显示,在测量误差范围内,在700 h接近稳态时测量的速率值为约4×10-3 g m-2day-1。利用微挥发性可冷凝材料测量来确定除气效果,包括VOCs的释放。与在125°C下烘烤336 h的未涂覆CFRP样品相比,BECFRP样品在暴露于真空和热加热下的总质量损失值均显着较低。表明增强屏障可以将水和有机污染物保留在CFRP内,以更好地减轻污染物的影响。所有阻隔增强样品收集到的挥发性可冷凝物的测量值为0.000%,而烘烤后CFRP的测量值为0.005%。

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图3、CFRP的结构表征和防潮层增强

解析:利用拉剪力实验的机械力测量发现,BECFRP样品的拉剪切应力从约15 MPa提高到了约24 MPa。此外,BECFRP样品的破坏机理是纤维夹层分层。航空结构粘合剂对BECFRP的涂层表面具有更好的粘附力。而未涂覆的CFRP表面的X-ray光电子能谱分析表明在CFRP生产过程中有残留的硅,在标准样品清洁和制备过程中未完全除去硅,但通过加入BECFRP的阻隔增强剂可以消除。然而,在接头重复进行热循环后,也可以观察到拉剪切强度的提高。从制造和机械的角度来看,这增强了涂层结构在航空航天领域的适用性。此外,还强调了BECFRP的制造多功能性,既可应用于2D构建块并粘合在一起,又可直接应用于最终3D组件。

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图4、BECFRP的附着力和表面特性表征

总之,本文介绍了一种先进的具有超高尺寸稳定性的复合材料的制造技术,该技术采用机械强度高的多层阻隔涂层将水分和有机污染物封装在CFRP基体内。通过在基于环氧树脂的CFRP的高动态且非各向同性的表面上设计机械耦合的多层结构来实现,并且这种耦合使涂层具有很高的机械完整性,其中涂层的组分为单一的复合实体,即BECFRP。这种新型复合材料的性能明显优于传统的CFRP,从而产生了一种具有更好的尺寸稳定性和适用于太空光学应用的先进复合材料。即使在厚度<1 μm时也能实现这种封装,而不会影响复合材料的整体CTE。此外,机械耦合的坚固性允许沉积额外的涂层以获得进一步的功能。这进一步证明了BECFRP在需要关键尺寸的高级太空应用中的适用性,也会推动其他重要的技术和行业的发展,从而有利于整个材料工程领域的发展。

全文链接:https://doi.org/10.1038/s41563-019-0565-3
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