下一代新型碳纤维即将”出世”,竟然能实现”自我检测”

近几年来，各种新型材料如雨后春笋般纷纷问世，而高科技碳纤维材质则以其优异的性能备受关注，人们通常称其为“黑金”。

碳纤维的特性非常柔软，碳纤维不仅具有碳材料的固有本性特征，有兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。其次，碳纤维质量轻，它的比重不到钢的1/4，但强度却非常高，耐腐蚀性也出类拔萃。

鉴于上面两种特点，碳纤维被广泛应用于民用、军用、建筑、航天以及超级跑车领域，其取代其他材料也只是时间问题而已。

碳纤维材料如此神奇,但一直都不是单独使用的,都是跟其他聚合物基质一起混合使用,如环氧树脂,其中嵌入了增强碳纤维.

但这两种材料的力学性能不一样,纤维过大,就会导致应力或疲劳下,从基体上脱落。

这意味着碳纤维复合材料结构的损伤可能一直隐藏着,我们肉眼检测不出来,就会隐藏着危险性.

美国能源部橡树岭国家实验室专家表示：“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。

据碳纤维体验馆了解,最近, Bowland和ORNL的碳和复合材料小组研究发现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。能实现碳纤维自动检测.

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。

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。

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。