納米縫合讓復(fù)合材料更輕更堅韌
該示意圖顯示了具有復(fù)合層的工程材料。碳纖維層(長銀管)之間“碳納米管森林(棕色物體陣列)”。圖片來源:美國科學(xué)促進會網(wǎng)站
美國麻省理工學(xué)院工程師証明,他們使用新開發(fā)的納米縫合方法可防止復(fù)合材料層之間的裂紋擴展。通過在復(fù)合材料層之間沉積化學(xué)生長的“碳納米管森林”,微小而密集的纖維將各層緊緊地固定在一起,就像超強的尼龍搭扣一樣,防止各層剝落或剪斷。相關(guān)研究18日發(fā)表在美國科學(xué)促進會網(wǎng)站上。
為了節(jié)省燃料並減少飛機排放,研究人員正在尋求用先進復(fù)合材料制造更輕、更強的飛機。這些復(fù)合材料由嵌入聚合物片材中的高性能纖維制成,片材可堆疊壓制成一種多層材料,並制成極其輕質(zhì)且耐用的結(jié)構(gòu)。
但復(fù)合材料有一個弱點:層與層之間的空間,通常需填充聚合物“膠水”,以將各層黏合在一起。如果發(fā)生撞擊,裂紋很容易在各層之間擴散並削弱材料強度。隨著時間推移,復(fù)合材料可能會在沒有任何警告的情況下突然崩潰。
此次團隊在對薄層碳纖維層壓板進行的實驗証明,與傳統(tǒng)聚合物的復(fù)合材料相比,通過納米縫合黏合的各層可將材料的抗裂性提高60%。
納米縫合的概念涉及“種植”垂直排列的“碳納米管森林”——碳的中空纖維。每根碳納米管都很小,以至於數(shù)百億納米管可以站立在比指甲還小的區(qū)域中。為了生長納米管,該團隊使用化學(xué)氣相沉積工藝,使碳作為微小的支撐物沉積在表面上。這些支撐物最終會被移除,留下一片密集的“碳卷森林”。
研究人員設(shè)想,任何採用傳統(tǒng)復(fù)合材料的車輛或結(jié)構(gòu)都可通過納米縫合變得更輕、更堅韌、更有彈性。下一代飛機如果採用復(fù)合材料與納米縫合技術(shù)結(jié)合在一起,可使飛機更安全並具有更長的使用壽命。
(記者張夢然)
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