下一代复合材料可以监控自身的结构健康状况

碳纤维复合材料 - 轻质和坚固 - 是汽车，飞机和其他运输车辆的重要结构材料。它们由聚合物基质如环氧树脂组成，其中嵌入了增强碳纤维。由于这两种材料的机械性能不同，纤维会在过度的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中的损坏可能仍然隐藏在表面之下，通过目视检查无法检测到，可能导致灾难性故障。

能源部橡树岭国家实验室的Wigner研究员克里斯鲍兰德说：“碳纤维复合材料不会发生灾难性的损失，因此在整个结构失效之前你不会看到损坏。” “通过了解复合材料中发生的情况，您可以更好地判断其健康状况，并了解是否存在需要修复的损坏。”

最近，ORNL碳和复合材料集团的领导者Bowland和Amit Naskar发明了一种卷对卷工艺，用半导体碳化硅纳米粒子涂覆导电碳纤维。这种纳米材料嵌入复合材料比其他纤维增强复合材料更强大，并具有新的能力 - 监测自身结构健康的能力。

当足够的涂覆纤维嵌入聚合物中时，纤维形成电网络，并且本体复合材料变得导电。半导体纳米颗粒可响应于所施加的力而破坏该电导率，从而为复合材料添加机电功能。

如果复合材料变形，则涂层纤维的连接性被破坏并且材料中的电阻改变。如果风暴湍流导致复合材料飞机机翼弯曲，电信号可能会警告飞机的计算机机翼已承受过大的压力并提示进行检查。

ORNL的卷对卷演示原则上证明，该方法可用于大规模生产下一代复合材料的涂层纤维。自感应复合材料，可能由可再生聚合物基质和低成本碳纤维制成，可以发现自己无处不在的产品，甚至包括3D打印的车辆和建筑物。

为了制造纳米粒子嵌入的纤维，研究人员将高性能碳纤维线轴装到辊子上，将纤维浸入环氧树脂中，该环氧树脂装载有大约病毒宽度(45-65纳米)的市售纳米粒子。然后将纤维在烘箱中干燥以固化其涂层。

为了测试纳米颗粒嵌入纤维粘附在聚合物基质上的强度，研究人员制造了纤维增强复合材料梁，纤维在一个方向上排列。Bowland进行了压力测试其中悬臂的两端都是固定的，而评估机械性能的机器推到梁的中间直到它失效。为了研究复合材料的传感能力，他将电极固定在悬臂的两侧。在称为“动态机械分析仪”的机器中，他夹住一端以保持悬臂静止。机器在另一端施加力以弯曲梁，而Bowland监测电阻的变化。ORNL博士后研究员Ngoc Nguyen在傅立叶变换红外光谱仪中进行了额外的测试，以研究复合材料中的化学键，并提高对观察到的增强机械强度的理解。

研究人员还测试了用不同量的纳米颗粒制成的复合材料能够消散能量 - 通过振动阻尼行为测量 - 这种能力有利于受到冲击，震动和其他应力和应变源的结构材料。在每个浓度下，纳米颗粒增强了能量消耗(65%至257%)。

Bowland和Naskar已申请制造自感碳纤维复合材料的专利。

“浸涂为开发利用新型纳米材料提供了一条新途径，”Bowland说。

ORNL的实验室指导研究和开发计划支持该研究，该研究发表在美国化学学会期刊ACS Applied Materials&Interfaces上。

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