碳纳米管缝线可制成更坚固更轻的复合材料阚杰

碳纳米管“缝线”可制成更坚固，更轻的复合材料

今天飞行的最新空中客车和波音客机主要由先进的复合材料制成，例如碳纤维增强塑料-极轻，耐用的材料使飞机的整体重量与铝制飞机相比减少了多达20％。这种轻巧的机身直接转化为节省燃油，这是先进复合材料受到青睐的重点。

但是复合材料也非常脆弱：铝在破裂前可以承受较大的冲击，而复合材料中的许多层由于冲击较小而会破裂，这一缺点被认为是材料的致命弱点

现在，麻省理工学院的航空工程师已经找到了一种粘合复合材料层的方法，使所得的材料比其他先进的复合材料更坚固，更耐损坏。他们的结果发表在本周的《复合材料科学与技术》杂志上。

研究人员使用碳纳米管将复合材料层固定在一起-碳原子薄薄的碳卷，尽管它们的微观结构非常坚固。他们将碳纳米管的微小“森林”嵌入胶状聚合物基质中，然后将基质压在碳纤维复合材料层之间。类似于微小的，垂直排列的针的纳米管在每个复合层的缝隙中工作，用作将各层保持在一起的支架。

在测试该材料强度的实验中，研究小组发现，与现有的复合材料相比，缝合的复合材料强度提高了30％，可以承受更大的断裂力。

罗伯托·古兹曼是美国航空航天局的麻省理工学院博士后工作的负责人，他说，这种改进可能导致飞机零件更坚固，更轻-尤其是那些需要钉子或螺栓的飞机零件，这些零件可能会使传统的复合材料破裂。

古兹曼说：“还需要做更多的工作，但是我们确实相信这将使飞机变得更坚固，更轻。”古兹曼现在是西班牙IMDEA材料研究所的研究员。“这意味着节省了大量燃料，这对环境和我们的口袋都非常有用。”

该研究的合著者包括AeroAstro教授Brian Wardle和瑞典航空航天与国防公司Saab AB的研究人员。

“大小事项”

当今的复合材料由水平碳纤维的层或层组成，这些水平碳纤维由聚合物胶粘在一起，Wardle将其描述为“非常非常脆弱的问题区域”。尝试加强这种胶粘区域的方法包括Z钉扎和3-D编织-涉及将碳纤维束钉扎或编织穿过复合层的方法，类似于将钉子穿过胶合板或穿过织物。

“针或钉子比碳纤维大数千倍，”沃德尔说。“因此，当您驱动它们通过复合材料时，会破坏成千上万的碳纤维并损坏复合材料。”

相比之下，碳纳米管的直径约为10纳米-比碳纤维小近一百万倍。

Wardle说：“尺寸很重要，因为我们能够将这些纳米管放入而不会干扰较大的碳纤维，而这正是维持复合材料强度的原因。” “帮助我们提高强度的是，碳纳米管的表面积是碳纤维的1,000倍，这使它们可以更好地与聚合物基体结合。”

加剧竞争

Guzman和Wardle提出了一种将碳纳米管支架整合到聚合物胶中的技术。按照Wardle小组先前开发的程序，他们首先种植了垂直排列的碳纳米管森林。然后，他们将森林转移到粘性的，未固化的复合层上，并重复该过程，以生成一叠16层复合层，每层之间都胶着碳纳米管。

为了测试材料的强度，该团队进行了一项拉力测试-一种用于确定航空航天零件尺寸的标准测试-研究人员在其中将螺栓穿过复合材料的孔，然后将其撕下。尽管现有的复合材料通常会在这种张力下断裂，但研究小组发现，缝合后的复合材料更坚固，能够承受开裂前多30％的力。

研究人员还进行了裸眼压缩试验，用力挤压螺栓孔。在这种情况下，与现有的复合材料相比，缝合的复合材料在断裂前承受的力要高出14％。

Wardle说：“强度的增强表明这种材料将对任何类型的破坏性事件或特征具有更高的抵抗力。” “而且由于大多数最新飞机的重量都是复合材料的50％以上，因此改进这些先进的复合材料对飞机的结构性能具有非常积极的意义。”

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