消費(fèi)者想要節(jié)能高效的車輛和高性能運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品，市民想要有抗風(fēng)化的橋梁，制造商想要用更有效的方式來制造可靠的汽車和飛機(jī)。人們需要的是即使長期暴露在環(huán)境壓力下，也不會(huì)發(fā)生破裂的新型輕質(zhì)、節(jié)能的復(fù)合材料。為了實(shí)現(xiàn)這一需求，國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員研究出了一種新技術(shù)，能夠?qū)⒓{米尺度的損傷傳感探頭嵌入由環(huán)氧樹脂和絲綢制成的輕質(zhì)復(fù)合材料中。

    號(hào)稱機(jī)械響應(yīng)性聚合物的探針，可以加速產(chǎn)品測(cè)試過程，并盡可能地減少開發(fā)多種新型復(fù)合材料所要花費(fèi)的時(shí)間和材料。

    NIST團(tuán)隊(duì)使用被稱為若丹明內(nèi)酰胺（rhodamine spirolactam，RS）的染料制作了這種探針，該染料在受到外加力時(shí)會(huì)發(fā)出熒光。在該實(shí)驗(yàn)中，分子附著在環(huán)氧基復(fù)合材料所含的絲綢纖維上。隨著越來越多的力被施加到復(fù)合材料上，這些應(yīng)力應(yīng)變激活了RS，使其在受激光激發(fā)時(shí)發(fā)出熒光。雖然肉眼看不到這種變化，但采用由NIST構(gòu)建和設(shè)計(jì)的紅色激光和顯微鏡可以拍攝到復(fù)合材料內(nèi)部的照片，甚至能夠顯示其內(nèi)部最微小的斷裂和裂縫，并檢測(cè)到纖維斷裂的位置。這一成果被發(fā)布在了Advance Materials Interfaces雜志上。

    照片：在黑光下用絲綢實(shí)驗(yàn)探測(cè)復(fù)合材料中損傷的實(shí)例。（左）家蠶蛹的普通蠶絲蛋白。觀察到的熒光是由存在于纖維蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的分子的作用產(chǎn)生的。（中）機(jī)械響應(yīng)性聚合物標(biāo)記的絲綢纖維響應(yīng)于損傷或應(yīng)激而發(fā)出熒光。（右）沒有機(jī)械響應(yīng)性聚合物的對(duì)照試樣。

    復(fù)合材料設(shè)計(jì)中使用的材料是多種多樣的。本質(zhì)上，復(fù)合材料如螃蟹殼或象牙（骨）是由蛋白質(zhì)和多糖組成的。而在這項(xiàng)研究中，環(huán)氧樹脂與牛津大學(xué)Fritz Vollrath教授研究小組使用家蠶蠶蛹編制出的絲綢長絲相結(jié)合形成了一種新的復(fù)合材料。本研究中使用的纖維增強(qiáng)基聚合物復(fù)合材料結(jié)合了其主要組分最優(yōu)異的性能—纖維的強(qiáng)度和聚合物的韌性。然而，所有復(fù)合材料具有的共同之處是各組分相接觸的部位都有界面存在。該界面的彈性對(duì)復(fù)合材料承受損壞的能力至關(guān)重要。薄而靈活的界面通常被設(shè)計(jì)者和制造商所青睞，但測(cè)量復(fù)合材料中界面的特性是非常具有挑戰(zhàn)性的。

    帶領(lǐng)研究小組在NIST進(jìn)行相關(guān)工作的研究員Jeffrey Gilman說：“目前在研究測(cè)量復(fù)合材料宏觀特性的方法上已經(jīng)做了很多工作，但是在最近幾十年的時(shí)間里，所要面臨的挑戰(zhàn)是要確定在界面內(nèi)部發(fā)生了什么。”

    一種方法是光學(xué)成像。然而，用于光學(xué)成像的常規(guī)方法僅能夠在小至200-400 nm的尺度上記錄圖像。但一些界面的厚度只有10至100 nm，使得這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于復(fù)合材料中的相間成像而言幾乎無效。而通過在界面上安裝RS探頭，研究人員就能夠使用光學(xué)顯微鏡在界面上“看到”損傷部位。

    NIST研究團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃擴(kuò)大他們的研究，以探索如何將這種探針用于其他種類的復(fù)合材料。他們還想使用這種傳感器來增強(qiáng)復(fù)合材料承受極端寒冷和炎熱的能力。同時(shí)，迫切需要復(fù)合材料具備可以長時(shí)間暴露于水的能力，特別是用于建造更具彈性的基礎(chǔ)設(shè)施部件，例如橋梁和風(fēng)力渦輪機(jī)的巨型葉片。

    研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)尋找更多途徑，可以改進(jìn)現(xiàn)有復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)，并為未來復(fù)合材料創(chuàng)建新標(biāo)準(zhǔn)，以確保這些材料的安全、堅(jiān)固和可靠性。Gilman說：“我們現(xiàn)在有一個(gè)損傷傳感器，能夠幫助優(yōu)化具有不同用途的復(fù)合材料。如果你嘗試改進(jìn)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，通過這個(gè)損傷傳感器你可以判斷你所做的更改是增強(qiáng)了復(fù)合材料的界面，還是削弱了它。”

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責(zé)任編輯：劉洋

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