一種用半導體碳化硅納米粒子包覆導電
碳纖維的輥軋工藝。這種納米材料嵌入
復合材料比其他纖維增強復合材料更強，并注入了一種新的能力-監測自身結構健康的能力。
碳纖維復合材料-重量輕、強度高-是汽車(chē)、飛機和其他交通工具的重要結構材料。它們由一種聚合物基體(如
)組成，其中嵌入了增強碳纖維。由于這兩種材料的力學(xué)性能不同，纖維在過(guò)度的應力或疲勞作用下可以與基體分離。這意味著(zhù)碳纖維復合材料結構的損傷可以隱藏在表面之下，通過(guò)目測無(wú)法察覺(jué)，有可能導致災難性的破壞。
能源部橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室的Wigner研究員克里斯·鮑蘭德(Chris Bowland)說(shuō)：“碳纖維復合材料會(huì )災難性地失效，所以在整個(gè)結構失效之前，你不會(huì )看到損壞?！薄巴ㄟ^(guò)了解復合材料內部的情況，你可以更好地判斷它的健康狀況，并知道是否有損壞需要修復?！?
最近，鮑蘭德(Bowland)和ORNL碳與復合材料集團(ORNL)的領(lǐng)導者阿米特·納斯卡爾(Amit Naskar)發(fā)明了一種輥軋工藝，用半導體碳化硅納米粒子包覆導電碳纖維。這種納米材料嵌入復合材料比其他纖維增強復合材料更強，并注入了一種新的能力-監測自身結構健康的能力。
當足夠多的涂層纖維嵌入聚合物中時(shí)，所述纖維產(chǎn)生一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )，所述塊狀復合材料成為導電材料。半導體納米粒子能在作用力的作用下破壞這種導電性，為復合材料增加一種機電功能。
如果復合材料被拉伸，涂層纖維的連通性就會(huì )被破壞，材料中的電阻也會(huì )發(fā)生變化。如果風(fēng)暴湍流導致復合飛機機翼彎曲，一個(gè)電信號可能會(huì )警告飛機的計算機，機翼承受了過(guò)度的壓力，并建議進(jìn)行檢查。
ORNL的輥軋工藝演示從原則上證明了該方法可以推廣到大規模生產(chǎn)下一代復合材料涂層纖維?？赡苁怯每稍偕酆衔锘w和低成本碳纖維制成的自感知復合材料，甚至包括3D打印的車(chē)輛和建筑物，都可以在無(wú)處不在的產(chǎn)品中找到自己。
為了制造納米粒子嵌入的纖維，研究人員將高性能碳纖維的線(xiàn)軸加載到將纖維浸在環(huán)氧樹(shù)脂中的滾筒上，這些纖維中裝載了大約病毒寬度(45-65納米)的可供商業(yè)使用的納米粒子。然后，纖維在烤箱中烘干以確定涂層。
為了測試納米纖維附著(zhù)在聚合物基體上的強度，研究人員制作了纖維增強復合材料梁，纖維向一個(gè)方向排列。鮑蘭德進(jìn)行了應力測試，其中懸臂兩端固定，而評估機械性能的機器推到梁的中間，直到它失敗。為了研究復合材料的傳感性能，他在懸臂梁兩側貼上電極。在一臺叫做“動(dòng)態(tài)機械分析儀”的機器里，他夾住一端，使懸臂固定不動(dòng)。機器在另一端施加力使梁彎曲，而B(niǎo)owland則監測電阻的變化。ORNL博士后研究員Ngoc Nguyen在傅里葉變換紅外光譜儀中進(jìn)行了額外的試驗，以研究復合材料中的化學(xué)鍵，并提高對觀(guān)察到的增強機械強度的理解。
研究人員還測試了用不同數量的納米粒子制成的復合材料是否有能力消散能量-通過(guò)減振行為來(lái)衡量-這種能力將有利于結構材料承受沖擊、震動(dòng)和其他應力和應變來(lái)源。在每一種濃度下，納米粒子增強了能量的消耗(增加了65%到257%)。
鮑蘭德(Bowland)和納斯卡爾(Naskar)已經(jīng)申請了制造自感知碳纖維復合材料的專(zhuān)利。
鮑蘭德說(shuō)：“浸漬涂層為開(kāi)發(fā)中的新型納米材料提供了一條新的途徑?！?
ORNL的實(shí)驗室指導研究和開(kāi)發(fā)項目支持這項研究，該研究發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì )的期刊ACS應用材料與接口上。
