美国佛罗里达州立大学(FSU)工程学院和佛罗里达农工大学(FAMU)共同成立的高性能材料研究所(HPMI)的研究人员正在开发一种由碳纳米管和巴基纸制成的超薄复合材料热盾/隔热板(heat shield),以更好地保护超高速飞行器。

美国佛罗里达州立大学研发碳纳米管复合材料防热板-复合材料网

研究人员手持带有隔热板的碳纤维增强聚合物复合材料,隔热板可被加热到1,900摄氏度

航空航天领域越来越依赖碳纤维增强聚合物复合材料来制造卫星、火箭和喷气飞机等超高速飞行器的结构件。但是这些材料的寿命受到热环境的限制。现有的隔热板通常要比其保护的基层材料厚许多,因此HPMI团队着手设计并制造出薄如皮肤的隔热板,实现既可以保护飞机,又起到结构支撑的作用。

HPMI主任理查德·梁教授(Richard Liang教授)解释说:“目前,我们的飞行系统变得越来越高速,甚至进入了超过音速五倍的高超音速系统。当速度如此之高时,表面会有更多的热量。因此,我们需要一个更好的热保护系统。”

巴基纸(Buckypaper),即碳纳米管片状材料,一直是HPMI研究的重点。研究团队将具有出色导热和导电能力的巴基纸浸入酚醛树脂混合物中,制造出一种重量轻、柔软且耐用的复合材料隔热板,足以保护超高速飞行器免受飞行过程中产生的极高热量的伤害。

研究人员对制造的不同厚度的隔热板样品进行了隔热性能测试。用火焰灼烧样品以考察它们如何阻止热量到达需要保护的碳纤维层。之后,研究人员将样品弯曲以观察其剩余强度。测试发现带有巴基纸的样品在热扩散和阻止热量到达基层方面比对照样品更好。与没有纳米管保护层的对照样品相比,带有巴基纸的样品坚固性和柔性也更好。与现有的陶瓷隔热板相比,柔性更好的碳纳米管增强隔热板在高温下不易破裂,也更轻巧,对于飞行器减重极为有利。

美国空军科学研究所对该项目进行了部分支持。