“纳米缝线”可实现更轻、更硬的复合材料

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

但复合材料有一个主要的弱点：层与层之间的空间，通常用聚合物“胶水”将层粘合在一起。在发生冲击或撞击的情况下，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可见的损坏。随着时间的推移，随着这些隐藏的裂缝在层与层之间扩散，复合材料可能会在没有预警的情况下突然破裂

现在，麻省理工学院的工程师们已经证明，他们可以使用他们开发的一种称为“纳米缝合”的方法来防止裂纹在复合材料层之间扩散，在这种方法中，他们将化学生长的碳纳米管微观森林沉积在复合材料之间。微小、密集的纤维像超强的尼龙搭扣一样将层紧紧地夹在一起，防止层剥落或剪切

在一种被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，与使用传统聚合物的复合材料相比，使用纳米缝合的层将材料的抗裂性提高了60%。研究人员表示，研究结果有助于解决先进复合材料的主要弱点

麻省理工学院航空航天教授Brian Wardle说：“就像片状面团一样，复合材料层也会剥落，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脆弱的区域变得如此坚固和坚韧，以至于裂缝不会在那里生长。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，更长寿。”

Wardle和他的同事在《ACS应用材料与材料》杂志上发表了他们的研究结果；接口。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

在麻省理工学院，Wardle是雀巢（发音为“下一个实验室”）的主任，他和他的团队在那里首次开发了纳米缝合的概念。该方法包括“种植”一片垂直排列的碳纳米管森林；中空的碳纤维，每根都很小，数百亿个纳米管可以立在比指甲还小的地方

为了生长纳米管，该团队使用化学气相沉积工艺在烤箱中与各种催化剂反应，使碳以微小的毛发状支撑物的形式沉积在表面。支撑物最终被移除，留下了一片由微小的垂直碳卷组成的密集森林

实验室之前已经表明，纳米管森林可以生长并粘附在复合材料层上，这种纤维增强化合物可以提高材料的整体强度。研究人员还发现了一些迹象，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，工程师们对复合材料的层间区域进行了更深入的研究，以测试和量化纳米缝合将如何提高该区域的抗裂性。特别是，这项研究的重点是一种被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，与150微米的标准复合材料层（大约相当于一根头发的直径）相比，每层或每层的厚度约为50微米。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与这种薄层技术之间是否存在协同作用，因为它可以带来更具弹性的飞机、高价值的航空航天结构以及太空和军用车辆，”Wardle说

这项研究的实验由Carolina Furtado领导，她于2016年作为麻省理工学院葡萄牙项目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的裂纹和损伤

在她的测试中，Furtado使用了该小组的化学气相沉积技术，种植了密集的垂直排列的碳纳米管森林。她还制作了薄层碳纤维层压板的样品。所得到的高级复合材料约3毫米厚，包括60层，每层由嵌入聚合物片材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，然后在高压釜中烹饪材料进行固化。为了测试抗裂性，研究人员在复合材料的边缘，就在两个中间层之间区域的开始处放置了一条裂缝

Furtado解释道：“在断裂测试中，我们总是从裂纹开始，因为我们想测试裂纹是否会扩展以及扩展到什么程度。”

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，以测试其对“分层”的弹性，或层分离的可能性