聚焦ℱ下一代新型碳纤维材料将能“自我检测”？它的应用可能无处不在

图源 | knowridge.com

下一代复合材料可以监测自身的结构健康状况。

碳纤维复合材料轻而坚固，是汽车、飞机和其他交通工具的重要结构材料。它们由聚合物基质组成，如环氧树脂，其中嵌入了增强碳纤维。

由于这两种材料力学性能的不同，纤维在过大的应力或疲劳下会从基体上脱落。

这意味着碳纤维复合材料结构的损伤可能仍然隐藏在表面以下，无法通过肉眼检测到，从而可能导致灾难性的失效。

美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)威格纳研究员克里斯·鲍兰德(Chris Bowland)表示：“通过了解复合材料内部的情况，你可以更好地判断它的健康状况，并知道是否有需要修复的损伤。”

最近，Bowland和ORNL的碳和复合材料小组组长Amit Naskar发明了一种滚动条式的方法，将导电碳纤维包裹在半导体碳化硅纳米颗粒上。

这种纳米材料嵌入的复合材料比其他纤维增强复合材料更强，并且具有一种新的能力——监测自身结构健康状况的能力。

当足够多的涂层纤维嵌入到聚合物中时，这些纤维就会形成一个电力网，而大块复合材料就会导电。

半导体纳米颗粒可以在外力的作用下破坏这种导电性，为复合材料增加机电功能。

如果复合材料被拉伸，涂层纤维的连接性就会被破坏，材料中的电阻就会发生变化。

如果风暴湍流导致复合机翼弯曲，一个电信号可能会警告飞机的电脑以提示机翼承受了过大的压力，并提出进行检查的建议。

ORNL的滚动条式示范在原则上证明了该方法可以大规模生产下一代复合材料涂层纤维。

自感知复合材料，也许是由可再生聚合物基质和低成本碳纤维制成的，可以在无处不在的产品中找到自己的位置，甚至包括3D打印的汽车和建筑。

为了制造嵌入纳米颗粒的纤维，研究人员将高性能碳纤维的线轴装在滚轴上，滚轴将纤维浸泡在环氧树脂中，环氧树脂中含有市场上可买到的纳米颗粒，其宽度约为病毒的宽度(45-65纳米)。

然后将纤维在烤箱中烘干以固定涂层。

为了测试纳米粒子嵌入的纤维粘附在聚合物基体上的强度，研究人员制作了纤维增强复合梁，纤维沿一个方向排列。

Bowland进行了应力测试，在测试中，悬臂的两端是固定的，同时评估机械性能的机器在梁的中间施加推力，直到梁失效。

为了研究这种复合材料的传感能力，他在悬臂梁的两侧安装了电极。

在一台被称为“动态机械分析仪”的机器中，他夹住一端，使悬臂保持静止。

机器在另一端施加力使悬梁弯曲，同时鲍兰德监测电阻的变化。

ORNL博士后研究员Ngoc Nguyen在傅立叶变换红外光谱仪中进行了额外的测试，以研究复合材料中的化学键，并提高对所观察到的增强的机械强度的理解。

研究人员还测试了用不同数量的纳米颗粒制成的复合材料的耗散能量的能力(通过振动阻尼行为测量)，这种能力将有利于结构材料受到冲击、震动和其他应力和应变源时应对影响。

在每一种浓度下，纳米颗粒都能增强能量耗散(从65%到257%的不同程度)。

Bowland和Naskar已经申请了一项制造自感知碳纤维复合材料的工艺专利。

“浸渍涂层提供了一种利用正在开发的新型纳米材料的新途径。”鲍兰德说。

ORNL实验室指导的研究和开发项目支持了这项研究，该研究发表在美国化学学会期刊“ACS应用材料与界面”(Applied Materials & Interfaces)上。

来源 | 前瞻网

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