“纳米缝线”使复合材料更轻、更坚韧

为了节省燃料和减少飞机排放，工程师们正在寻求用先进的复合材料制造更轻、更坚固的飞机。这些工程材料由嵌入聚合物片材中的高性能纤维制成。这些板材可以堆叠并压制成一种多层材料，并制成极其轻巧耐用的结构。

但复合材料有一个主要的弱点：层之间的空间，通常用聚合物“胶水”填充以将层粘合在一起。在发生撞击或撞击时，裂纹很容易在层之间扩散并削弱材料，即使层本身可能没有明显的损坏。随着时间的流逝，当这些隐藏的裂缝在各层之间蔓延时，复合材料可能会在没有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，防止裂缝在复合材料层之间扩散，在这种方法中，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、密集的纤维像超强魔术贴一样将各层抓握并固定在一起，防止各层剥落或剪切。

在使用一种称为薄层碳纤维层压板的先进复合材料的实验中，该团队证明，与传统聚合物的复合材料相比，用纳米缝合粘合的层将材料的抗裂性提高了60%。研究人员表示，这些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莱恩·沃德尔（Brian Wardle）说：“就像叶状面团片状物分开一样，复合材料层可以剥落，因为这个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，以至于那里不会长出裂缝。因此，我们可以期待下一代飞机将复合材料与这种纳米魔术贴结合在一起，使飞机更安全，使用寿命更长。

Wardle和他的同事们今天在 ACS Applied Materials and Interfaces杂志上发表了他们的研究结果。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，以及Reed Kopp，Xinchen Ni，Carlos Sarrado，Estelle Kalfon-Cohen和Pedro Camanho。

森林生长

在麻省理工学院，Wardle是necstlab（发音为“下一个实验室”）的主任，他和他的团队首先开发了纳米缝合的概念。这种方法涉及“生长”垂直排列的碳纳米管森林 – 碳的中空纤维，每个中空纤维都非常小，以至于数百亿个纳米管可以站在比指甲还小的区域。为了培养纳米管，研究小组使用化学气相沉积过程在烤箱中与各种催化剂反应，使碳作为微小的毛发状支撑物沉降到表面上。支撑物最终被移除，留下一片密密麻麻的微观垂直碳卷森林。

该实验室先前已经表明，纳米管森林可以生长并粘附在复合材料层上，并且这种纤维增强化合物可以提高材料的整体强度。研究人员还看到了一些迹象，表明纤维可以提高复合材料对层间裂纹的抵抗力。

在他们的新研究中，工程师们更深入地研究了复合材料中的层间区域，以测试和量化纳米缝合如何提高该区域的抗裂性。特别是，该研究的重点是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，每层或层厚约50微米，而标准复合层为150微米，大约是人类头发的直径。有证据表明它们比标准厚度的复合材料更好。我们想看看我们的纳米缝合和这种薄层技术之间是否有协同作用，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，“沃德尔说。

魔术贴握把

该研究的实验由Carolina Furtado领导，她于2016年作为麻省理工学院-葡萄牙计划的一部分加入了这项工作，作为博士后继续该项目，现在是葡萄牙波尔图大学的教授，她的研究重点是模拟先进复合材料中的裂纹和损伤。

在她的测试中，Furtado使用该小组的化学气相沉积技术来生长垂直排列的碳纳米管的密集森林。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度约为 3 毫米，由 60 层组成，每层由嵌入聚合物片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，然后在高压釜中煮熟材料进行固化。为了测试抗裂性，研究人员在复合材料的边缘放置了一个裂缝，就在两个中间层之间的区域的起点。

“在断裂测试中，我们总是从裂缝开始，因为我们想测试裂缝是否会扩散以及扩散到多远，”Furtado 解释道。

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

“有很多方法可以让你获得分层的前兆，比如撞击，比如工具掉落、鸟击、飞机跑道启动，几乎没有可见的损坏，但在内部它有分层，”沃德尔说。“就像人类一样，如果你的骨头有发际线骨折，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，研究小组将他们的样品放在一个装置中，以测试三种分层模式，其中裂缝可以扩散到层间区域并将层剥离或导致它们相互滑动，或两者兼而有之。这三种模式都是传统复合材料内部剥落和碎裂的最常见方式。

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，结果显示纳米缝合牢固，研究人员制造的初始裂缝无法在层之间进一步扩散。与与传统聚合物结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%，抗裂性也更高。

“这是一种新的复合材料技术，由我们的纳米管涡轮增压，”Wardle说。

“作者已经证明，薄层和纳米缝合在一起显着提高了韧性，”斯坦福大学航空航天学名誉教授Stephen Tsai说。“复合材料因其薄弱的层间强度而降解。这项工作中显示的任何改进都将增加允许的设计，并降低复合材料技术的重量和成本。

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，加固孔或螺栓连接，或者可能发生分层的地方，”Furtado说。“这打开了一扇巨大的机会之窗。”