MIT研发“纳米缝合法”令复合材料更轻、更坚固 可用于车辆等结构

盖世汽车讯 为了节省燃料并减少飞机排放，工程师们正在寻求利用先进的复合材料制造出更轻、更坚固的飞机。此类工程材料由被嵌入到聚合物薄片中的高性能纤维制成，可以堆叠在一起，被压制成一种多层材料，然后制成极其轻量且耐用的结构。

不过，复合材料有一个主要的弱点：多层材料之间的空间，通常被聚合物“胶水”填满，将多层材料粘合在一起。在受到冲击或打击的情况下，出现的裂缝会轻易在层与层之间蔓延，从而削弱材料，甚至多层材料本身都没有明显的损坏。随着时间的推移，这些隐藏的裂缝在层与层之间扩散，从而导致此类复合材料会毫无征兆地突然变成碎屑。

纳米缝合法（图片来源：MIT）

据外媒报道，现在，美国麻省理工学院（MIT）的工程师们已经证明，他们采用研发了“纳米缝合”（nanostitching）的方法，在复合材料层之间以化学沉积方式生长微观碳纳米管丛林，从而阻止复合材料层之间的裂缝蔓延。此种细小、密集排列的纤维像超强的尼龙搭扣（Velcro）一样，将层与层之间紧紧抓住，从而阻止复合材料层剥落或者断裂。

在一种采用称为薄层碳纤维层压板的先进复合材料的实验中，该研究小组证明，与传统聚合物制成的复合材料相比，采用纳米缝合法拼接的材料层抗裂性提高了60%。研究人员表示，研究结果有助于解决先进复合材料所具有的脆弱性这一主要问题。

MIT航空航天系教授Brian Wardle表示：“就像薄面团薄片（phyllo dough flakes）会分开一样，复合材料层也会裂开，因为层与层之间的区域就是复合材料的阿克琉斯之踵（Achilles’ heel）。我们展示的纳米缝合法让该脆弱的区域变得强大、坚韧，以至于裂缝不会在这里生长。因此，我们可以期待下一代飞机可以将复合材料与此种纳米尼龙搭扣结合在一起，让飞机更安全、寿命更长。”

丛林生长

在MIT，Wardle与团队在该实验室首次研发了纳米缝合概念。该方法包括“种植”一个垂直排列的碳纳米管丛林，即空心的碳纤维，每个都很小，数百亿个纳米管的占地面积比指甲盖还小。为了种植此类纳米管，研究小组采用了化学气相沉积法，在烤箱中利用各种催化剂进行反应，让碳作为微小的毛发状支撑物沉积在表面。最终，此种支撑物被移除，留下一个密集的、由微小垂直的碳管形成的丛林。

该实验室此前已经表明，此种碳纳米管丛林可以生长并粘附在复合材料层上，而且此种纤维增强型化合物提高了该材料的整体强度。研究人员还发现了一些迹象，表明此种纤维可以提高复合材料对层间裂缝的抵抗力。

在新研究中，工程师们对复合材料层之间的的区域进行了更深入的研究，以测试和量化纳米缝合法如何提高该区域的抗裂性。而且，该研究特别关注了一种称为薄层碳纤维层压板的先进复合材料。

Wardle教授表示：“这是一种新兴的复合材料技术，每层的厚度约为50微米，而标准复合材料层的厚度为150微米，约为人类头发的直径。有证据表明，此种材料比标准厚度的复合材料更好。而且，我们想看看纳米缝合技术与此种薄层技术之间是否有协同作用，因为其可以制成更具灵活性的飞机、高价值的航天结构以及太空和军用车辆。”

尼龙搭扣紧抓

该研究的实验由Carolina Furtado领导，她于2016年作为MIT-葡萄牙项目的一员加入该项目，并作为博士后继续研究该项目。现在，Carolina Furtado是葡萄牙波尔图大学（University of Porto）的教授，研究重点是先进复合材料的裂缝与损坏建模。

在测试中，Furtado使用了该研究小组的化学气相沉积技术来种植密集且垂直排列的碳纳米管丛林，还制作了薄层碳纤维层压板的样品。制成的先进复合材料约有3毫米厚，由60层组成，每层由嵌入在聚合物薄片中坚固的、沿水平方向排列的纤维制成。

Furtado解释说：“在断裂测试中，我们总是先测试裂缝，因为我们想看看裂缝是否会蔓延以及会蔓延到多远。”

然后，研究人员将纳米管增强复合材料的样本放置在一个实验装置中，以测试它们对“分层”的抗逆力，或者说层与层分离的可能性。

Wardle教授表示：“有很多方法可以让前体产生分层，如工具掉落、飞鸟撞击和飞机跑道颠簸等冲击，而此种情况都会没有明显的损伤，但材料内部却已经存在分层。就像人类一样，骨头里面有细微的骨折，看不见并不意味着对你没有影响。而且复合材料的损伤也很难检查。”

为了监测纳米缝合法在防止分层方面的潜力，研究小组将样品放置在一个装置中，以测试三种分层模式。在此种模式中，裂缝可以在层间区域蔓延，并让层与层之间分开或相互滑动，或两种情况同时发生。上述三种模式都是传统复合材料内部剥落以及破碎的最常见方式。

在上述测试中，研究人员精确地测量了让复合材料层剥离或断裂所需的力，结果表明纳米缝合法非常牢固，而且研究人员最先制成的裂缝无法在层与层之间进一步蔓延。与采用传统聚合物固定在一起的同等先进复合材料相比，采用纳米缝合法制成的样品的韧性和抗裂性提高了62%。

研究人员认为，任何包含传统复合材料的车辆或结构都可以通过纳米缝合法变得更轻、更坚韧，且更有弹性。