麻省理工學院航天工程師設計了碳納米管“針”，它可以“穿針引線”使復合材料層間實現良好結合，從而有助于制造出質量更輕、抗損傷性能更強的航天飛機。

    目前，空客和波音公司最新的載人航天飛機機身主要是由先進的復合材料構成的，譬如用質量極輕且使用性能優異的碳纖維增強塑料代替飛機的鋁基材料，可以使其重量減輕約20%。復合材料在飛機上的主要應用優勢就在于通過減輕重量以節省燃油消耗。

    但是復合材料抗損傷性能較差：與鋁基材料在斷裂前可以承受較大的沖擊相比，復合材料的多層結構在較小沖擊下就很容易發生斷裂。低抗損傷性能已經成為復合材料的阿喀琉斯之踵。

    近日，麻省理工學院（MIT）的航空工程師探索出一種粘結復合材料層的新方法，從而使其強度更高，耐損傷性能更好。

    研究人員使用碳納米管將每一層復合材料“栓”在一起。碳納米管中的薄卷狀碳原子雖然“身形”微小，但是強度極高。他們在類膠狀聚合物基體中嵌入碳納米管 “森林”，然后“壓緊”碳纖維復合材料層間的聚合物基體。納米管就像是細小的豎直排列的“針”，充當多層結構的支架，在層間部位進行“縫合”。

    測試結果表明，與現有復合材料相比，經碳納米管“縫合”的復合材料強度可提升30%，在斷裂前能承受更大的作用力。

    此項研究的首席研究員，MIT航空航天系博士后Roberto Guzman認為，性能提升的復合材料可以用于制造強度更高、質量更輕的飛機零部件，尤其是那些使用傳統復合材料制造的因包含螺釘或螺栓而容易斷裂的零部件。

    “尺寸是關鍵”

    當前，復合材料由層狀的橫向碳纖維組成，通過聚合物膠粘接。此項研究參與者，MIT航空航天系教授Wardle指出，“層間結合處是非常薄弱、存在問題的區域”。許多學者嘗試采用“Z釘扎”方法固定或通過“三維編制”復合材料層的碳纖維束以增強結合性能，類似于釘子和針線所起的作用。

    Wardle 表示，“釘子或針的尺寸是碳纖維的幾千倍，所以如果在碳纖維中加入這些物質，將會破壞成千上萬的碳纖維，對復合材料本身的損傷不言而喻。”而碳納米管直徑約10納米，只有碳纖維尺寸的百萬分之一。

    “尺寸的問題很重要，正因為納米管進入復合材料內部而不會影響大尺寸的碳纖維，才使復合材料的性能得以保持，” Wardle解釋說，“碳納米管擁有的表面積達到碳纖維的1000倍，這使它們與聚合物基體結合良好。”

    Guzman和Wardle采用的新技術即可使碳納米管嵌入聚合物膠內部。首先，他們獲得豎直排列的碳納米管森林，然后將納米森林置于粘稠的、未固化的復合層之間，重復此過程一直到16層（典型的復合材料疊層結構），實現碳納米管在層與層之間粘結。

    Wardle認為，“隨著大多數新型飛機的重量超過一半來自于復合材料，提升當前復合材料的綜合性能對拓寬其在航空結構中的應用將起到很大的推動作用。”

    參考原文鏈接：Carbon nanotube 'stitches' make stronger, lighter composites.

    文獻鏈接：In-plane strength enhancement of laminated composites via aligned carbon nanotube interlaminar reinforcement.

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責任編輯：龐雪潔

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