“纳米缝线”使复合材料变得更轻、更坚韧

但复合材料有一个主要弱点：层与层之间的空间，该空间通常填充有聚合物“胶水”以将各层粘合在一起。 如果发生撞击或撞击，裂纹很容易在各层之间扩散并削弱材料，即使各层本身可能没有明显的损坏。 随着时间的推移，当这些隐藏的裂缝在各层之间扩散时，复合材料可能会在没有任何警告的情况下突然崩溃。

现在，麻省理工学院的工程师已经证明，他们可以使用他们开发的一种称为“纳米缝合”的方法来防止裂纹在复合材料层之间扩散，在该方法中，他们在复合材料层之间沉积化学生长的碳纳米管微观森林。 微小而密集的纤维将各层紧紧地固定在一起，就像超强的尼龙搭扣一样，防止各层剥落或剪断。

在对一种称为薄层碳纤维层压板的先进复合材料进行的实验中，该团队证明，与传统聚合物的复合材料相比，采用纳米缝合粘合的各层可将材料的抗裂性提高高达 60%。 研究人员表示，研究结果有助于解决先进复合材料的主要漏洞。

麻省理工学院航空航天学教授布赖恩·沃德尔（Brian Wardle）表示：“就像菲洛面团剥落一样，复合材料层也会剥落，因为层间区域是复合材料的致命弱点。” “我们正在证明，纳米缝合使这个通常薄弱的区域变得如此坚固和坚韧，以至于裂纹不会在那里生长。因此，我们可以预期下一代飞机将采用这种纳米尼龙搭扣将复合材料固定在一起，以使飞机更安全，并且拥有更长的寿命。”

沃德尔和他的同事今天在期刊上发表了他们的研究结果 ACS 应用材料与接口公司。 该研究的第一作者是前麻省理工学院访问研究生和博士后 Carolina Furtado，其他作者还有 Reed Kopp、Xinchen Ni、Carlos Sarrado、Estelle Kalfon-Cohen 和 Pedro Camanho。

森林生长

在麻省理工学院，沃德尔是 necstlab（发音为“next lab”）的主任，他和他的团队首先在该实验室开发了纳米缝合的概念。 该方法涉及“种植”垂直排列的碳纳米管森林——中空碳纤维，每根碳纳米管都很小，以至于数百亿纳米管可以站立在比指甲还小的区域中。 为了生长纳米管，该团队使用化学气相沉积工艺在烤箱中使各种催化剂发生反应，使碳作为微小的毛发状支撑物沉积在表面上。 支撑物最终被移除，留下密集的微观垂直碳卷森林。

在他们的新研究中，工程师们更深入地研究了复合材料的层间区域，以测试和量化纳米缝合如何提高该区域的抗裂性。 该研究特别关注一种称为薄层碳纤维层压板的先进复合材料。

“这是一种新兴的复合材料技术，其中每层或层的厚度约为 50 微米，而标准复合材料层的厚度为 150 微米，约为人类头发的直径。有证据表明它们比标准复合材料层更好-厚度复合材料。我们想看看我们的纳米缝合和这种薄层技术之间是否存在协同作用，因为它可以带来更有弹性的飞机、高价值的航空航天结构以及太空和军用车辆。”

魔术贴握把

该研究的实验由 Carolina Furtado 领导，她于 2016 年作为 MIT-葡萄牙项目的一部分加入了该项目，并以博士后身份继续该项目，现在是葡萄牙波尔图大学的教授，她的研究重点是建模先进复合材料中的裂纹和损坏。

在她的测试中，弗塔多使用该小组的化学气相沉积技术来种植密集的垂直排列的碳纳米管森林。 她还制作了薄层碳纤维层压板的样品。 由此产生的先进复合材料厚约 3 毫米，由 60 层组成，每层均由嵌入​​聚合物片材中的刚性水平纤维制成。

她将纳米管森林转移并粘附在复合材料的两个中间层之间，然后在高压釜中对材料进行蒸煮以使其固化。 为了测试抗裂性，研究人员在复合材料的边缘放置了一条裂缝，就在两个中间层之间区域的开始处。

“在断裂测试中，我们总是从裂纹开始，因为我们想要测试裂纹是否会扩展、如何扩展以及扩展多远，”Furtado 解释道。

然后，研究人员将纳米管增强复合材料的样品放入实验装置中，以测试它们的“分层”弹性，或层分离的可能性。

“有很多方法可以获得分层的先兆，例如工具掉落、鸟类撞击、飞机跑道踢起等冲击，并且几乎没有明显的损坏，但内部已经出现了分层，”沃德尔说。 “就像人类一样，如果你的骨头出现了发丝状骨折，那就不好了。仅仅因为你看不到它并不意味着它不会影响你。而且复合材料的损坏很难检查。”

为了检查纳米缝合防止分层的潜力，该团队将样品放置在一个装置中以测试三种分层模式，其中裂纹可能会穿过层间区域并将各层剥离或导致它们相互滑动，或者做两者的结合。 所有这三种模式都是传统复合材料内部剥落和破碎的最常见方式。

在测试中，研究人员精确测量了剥离或剪切复合材料层所需的力，结果表明纳米缝合保持牢固，并且研究人员制造的初始裂纹无法在层之间进一步扩散。 与用传统聚合物粘合在一起的相同先进复合材料相比，纳米缝合样品的韧性提高了 62%，并且更耐裂。

“这是一种新的复合技术，由我们的纳米管增强，”沃德尔说。

研究人员设想，任何采用传统复合材料的车辆或结构都可以通过纳米缝合变得更轻、更坚韧、更有弹性。

“你可以有选择地加固有问题的区域，以加固孔或螺栓接头，或者可能发生分层的地方，”弗塔多说。 “这打开了一扇很大的机会之窗。”