碳纳米管增强:工业实战里藏着的那些反常识真相

去年给国内某新势力车企做前舱结构件改性,按顶刊配方加了0.8%单壁碳纳米管,预期拉伸强度涨15%,实测下来反而掉了12%,冲击强度直接砍了近三分之一。在场的几个刚毕业的博士都傻了。 这不扯淡吗?

你加的碳纳米管,90%都没解开团聚

很多人看文献说加个零点几就能提性能,说白了都是做样的小批量,超声处理三四个小时,还加了几倍分散剂,工业化大生产你给我超声三小时试试?一吨料电费都赚不回来。

实测发现,普通双螺杆挤出混料,碳纳米管原始团聚体的尺寸能到200微米以上,这些团聚体就是天生的应力集中点,受力第一个断的就是它。你说能不跌性能吗?

扫描电镜下碳纳米管团聚体形貌图
扫描电镜下碳纳米管团聚体形貌图

我见过很多高校出来的技术岗,张口就说我这分散率95%,那是测稀释悬浮液的,做成实心固体复合材料,能到60%都谢天谢地了。分散剂加太多,又会把基体的结晶度打乱,整体性能照样掉,死循环,无解。

不过话说回来,也不是不能解开,用球磨磨十二个小时,确实能解开大部分,但是球磨会把碳纳米管本身打断,长径比直接从几千砍到几百,增强效率没了,白折腾。

界面结合力才是真命门,不是长径比

大部分论文都在吹长径比,越长增强效果越好。放屁。

我去年拿长径比1000和长径比5000的碳纳米管做过对照实验,同样分散度下,最终复合材料强度差不到3%,长径比的优势根本没体现出来。问题出在哪?碳纳米管本身是惰性的,不管是跟环氧树脂还是铝合金基体,说白了就是油水不溶,受力的时候应力传不到碳纳米管上,它就是个夹在里面的空心管子,跟夹了个气泡没区别,甚至还不如气泡。

我们试过做羟基改性,接枝率做到2.1wt%,界面脱粘强度直接涨了11%,整体拉伸强度跟着涨了8%,效果确实明显。但是接枝率再往上,碳纳米管本身的sp2结构就被氧化破坏了,自身强度掉的比界面涨的还快,最后性能还是往下走。就是这么寸,卡的刚刚好。

碳纳米管树脂复合材料界面力测试AFM图
碳纳米管树脂复合材料界面力测试AFM图

说实话,现在工业界能用的改性方法,都是三四十年前开发的老路子,没有什么新突破,你就是把官能团玩出花,也跳不出氧化破坏结构这个坑。

产业化绕不开的三座迈不过去的坎

产业化绕不开的三座迈不过去的坎
产业化绕不开的三座迈不过去的坎

第一个就是成本。单壁碳纳米管现在出厂价还得两千多一公斤,你加0.5%进去,一吨基体材料就多一千多块成本,下游做汽车结构件的,本身利润就几个点,谁敢给你用?也就动力电池导电剂能加一点,那也是用的多壁的,便宜,也就起个导电作用,谈什么增强。

第二个就是批次稳定性。我去年拿了三家国内头部厂商的同型号货,灰分从1.2%到5.8%不等,最高的那个,里面全是制备时残留的催化剂铁颗粒,加进去之后,湿热老化性能直接掉了一半,放半年样条就自己裂了,你敢用在结构件上?

第三个就是环境账。现在复合材料回收本来就是烂摊子,加了碳纳米管,要么就是焚烧发电,纳米级的管子直接飘到空气里,对人体到底有什么长期影响,现在连个定论都没有。埋了更是几百年降解不了,环保卡口就卡死你。

哦对了,还有个最坑的,碳纳米管提高强度的同时,一定会牺牲塑性,大部分工业结构件要的是刚柔并济,要耐冲击,你加完碳纳米管,强度涨了五个点,韧性掉了三十个点,根本没法用。上次那个车企的案子,绕了一大圈,最后还是回去用10%的短切碳纤维,虽然增强效率低一半,但是稳定,成本还低三个点,工业生产要的就是这个,对吧?

别吹什么下一代增强材料,先把分散、界面、成本这三个坎迈过去再说,不然全是实验室的样品,骗骗经费可以,真落地,门都没有。

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