mile米乐官方网站 开发出耐热、耐冲击的多壁碳纳米管树脂复合材料

国立先进产业科学技术研究所[主席：中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米管实用研究中心和CNT复合材料研究中心（TACC）[研究中心主任和中心主任：畠健二]特别深入研究专家林正彦，客座研究员友野茂树和Sunarrow Co, Ltd[总裁代表董事时宗]裕二]（以下简称“Sunarrow”），我们开发了与树脂基材相当的冲击强度（韧性) 在保持其性能的同时，它在高温下提供卓越的机械强度、高形状保持性和均匀的导电性超级工程塑料 聚醚醚酮 (PEEK)和多层碳纳米管 (CNT)

该技术改进了复合材料成型过程中使用的捏合和成型方法，与具有相似导电性的PEEK/CF（碳纤维）复合材料相比，韧性显着提高，使得制造兼具导电性和韧性的实用PEEK复合材料成为可能。如果它能取代汽车、飞机等金属部件，有望通过减轻重量为节能做出贡献。

该技术的详细信息将于2020年1月29日至31日在东京国际展览中心（东京江东区）举行的国际纳米技术综合展览和技术会议 Nano tech 2020 上介绍。

耐冲击PEEK/CNT复合材料

PEEK在可熔融成型的热塑性超级工程塑料中具有最高的耐热性，同时还具有优异的耐疲劳性、耐环境性、耐化学性、阻燃性。由于它比金属轻，因此是广泛应用于电气电子部件、汽车、航空航天等领域的树脂。近年来，为了增加导电性、强度和导热性以对抗静电，已经开发出使用碳纤维（CF）作为填料的复合材料，但填料的添加通常会导致材料更容易因冲击而破裂的问题。

AIST 一直致力于研究和开发，通过在 PEEK 中添加 CNT 来提高耐热性和机械强度 (2016 年 11 月 7 日 AIST 新闻稿)。这些性能在当时属于世界最高水平，但为了将其开发为实用产品，需要解决添加CNT导致冲击强度与基材相比降低的问题。另一方面，Sunarrow是一家橡胶和树脂产品加工制造商，作为CNT复合材料研究中心的参与公司，一直利用其树脂成型技术与AIST推进共同开发。

研究内容

本次开发的技术是一种能够适当保持多层CNT网络并将其分散在PEEK中的技术，从而可以制造出具有高抗冲击性的PEEK/CNT复合材料。冲击强度的量化见图 1夏比冲击试验的结果使用传统AIST方法（传统方法）复合的PEEK/CNT的10个测试样品中有6个被破坏，其平均冲击强度下降到低于PEEK基础树脂的一半。另一方面，使用新开发方法开发的PEEK/CNT（新方法），即使在可测定的最大强度下也没有发生断裂（n/b：未断裂），韧性大幅提高。这被认为是因为看不见的碳纳米管纤维形成了适当的网络，抑制了冲击引起的裂纹扩展。此外，在具有相同电导率的PEEK/CF对比产品中，10个全部被破坏，并且冲击强度降低到PEEK基材的一半以下，这与使用传统方法制造的PEEK/CNT相当。

图1夏比冲击试验结果

 

之前的研究表明，CNT的添加提高了PEEK的耐热性和机械强度。因此，我们在150℃的高温环境下进行了拉伸测试（图2显示了五次测试的代表性结果）。 PEEK/CNT（新方法）的断裂应力（拉伸强度）与基材PEEK相比平均提高了约2倍，并且与室温下13倍的提高率相比，拉伸强度，尤其是高温下的拉伸强度显着提高。另一方面，拉伸强度比PEEK/CF差，但认为PEEK/CF的冲击强度和成型性由于伸长率极度降低而大大降低。

图2 150℃高温环境拉伸测试结果

 

此外，PEEK/CF 和 PEEK/CNT（新方法）表面电阻率进行了测量（图3）。改变试验片的测量位置的PEEK/CNT（新方法）的测量点（表面5个位置，10张，数据总数n = 50）据说对于防止灰尘附着的静电对策来说是最佳的10⁵～10⁸Ω/□（图中E5到E8）都在抗静电区域，但对于PEEK/CF来说，10³丫10¹⁵　变化甚至发生在Ω/□范围内。对于需要导电性能的产品来说，一致稳定的导电性能是一大特点。

图3 表面电阻率测量结果

 

表1显示了新开发的PEEK/CNT复合材料的机械性能（室温和高温）、热性能和电性能，并与基材PEEK和市售产品进行了比较。除了图1至图3中说明的内容之外，我们还确认了高形状保持性（尺寸稳定性），例如低线性热膨胀系数和低蠕变性。

表1 PEEK/CNT各种物理性能对比表

未来，我们将根据客户的需求，通过向客户提供样品的方式继续开发应用，并开发产品以进一步稳定质量并降低成本。

◆韧性

材料的韧性，即其承受外力和抵抗破坏的能力。一般来说，高韧性材料既具有高材料强度，例如抗拉强度，又具有延展性（物体可以塑性拉伸而不被破坏的性质）。结构材料不仅要求具有强度，还要求具有高度的韧性（toughness）。[返回来源]

◆超级工程塑料

一般来说，能在100℃以上的温度下连续使用，拉伸强度达到50MPa以上，并具有优良的抗冲击性、耐磨性、耐疲劳性、耐化学药品性的树脂称为工程塑料，耐热性甚至更高的树脂称为超级工程塑料。[返回来源]

◆聚醚醚酮(PEEK)

玻璃化转变温度高达143℃，熔点为330℃至340℃，长期耐热性为250℃。该材料具有低吸水率和良好的疲劳性能，在超级工程塑料中受到特别关注。[返回来源]

◆碳纳米管(CNT)

仅由碳原子组成的一维纳米碳材料，直径为04至50纳米，长度约为1至数十微米。其化学结构由连接在一起的轧制石墨层表示；一层的称为单壁碳纳米管，多层的称为多壁碳纳米管。[返回来源]

◆夏比冲击试验

一种类似于艾佐德冲击试验的抗冲击性测量方法。用摆锤形锤破碎试验样品，由破碎所需的能量确定材料的冲击值。通常，具有高冲击值的材料具有高拉伸强度和伸长率，并且据说具有韧性。[返回来源]

◆表面电阻率

单位面积（1厘米²)的电阻值，通常用于均匀薄膜和片材产品的导电性评估和检查。为了区别于简单的表面电阻值（单位：[Ω]），单位表示为[Ω/□]或[Ω/sq]。[返回来源]