下一代新型高性能碳纖維復合材料可以監測自身的結構健康狀況.

近幾年來，各種新型材料如雨后春筍般紛紛問世，而高科技碳纖維材質則以其優異的性能備受關注，人們通常稱其為“黑金”。

碳纖維的特性非常柔軟，碳纖維不僅具有碳材料的固有本性特征，有兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。其次，碳纖維質量輕，它的比重不到鋼的1/4，但強度卻非常高，耐腐蝕性也出類拔萃。

鑒于上面兩種特點，碳纖維被廣泛應用于民用、軍用、建筑、航天以及超級跑車領域，其取代其他材料也只是時間問題而已。

碳纖維材料如此神奇,但一直都不是單獨使用的,都是跟其他聚合物基質一起混合使用,如環氧樹脂,其中嵌入了增強碳纖維.

但這兩種材料的力學性能不一樣,纖維過大,就會導致應力或疲勞下,從基體上脫落。

這意味著碳纖維復合材料結構的損傷可能一直隱藏著,我們肉眼檢測不出來,就會隱藏著危險性.

美國能源部橡樹嶺國家實驗室專家表示：“通過了解復合材料內部的情況，你可以更好地判斷它的健康狀況，并知道是否有需要修復的損傷。

據碳纖維體驗館了解,最近, Bowland和ORNL的碳和復合材料小組研究發現了一種滾動條式的方法,將導電碳纖維包裹在半導體碳化硅納米顆粒上。能實現碳纖維自動檢測.

這種納米材料嵌入的復合材料比其他纖維增強復合材料更強，并且具有一種新的能力——監測自身結構健康狀況的能力。

當足夠多的涂層纖維嵌入到聚合物中時，這些纖維就會形成一個電力網，而大塊復合材料就會導電。

半導體納米顆粒可以在外力的作用下破壞這種導電性，為復合材料增加機電功能。

如果復合材料被拉伸，涂層纖維的連接性就會被破壞，材料中的電阻就會發生變化。

如果風暴湍流導致復合機翼彎曲，一個電信號可能會警告飛機的電腦以提示機翼承受了過大的壓力，并提出進行檢查的建議。

為了制造嵌入納米顆粒的纖維，研究人員將高性能碳纖維的線軸裝在滾軸上，滾軸將纖維浸泡在環氧樹脂中，環氧樹脂中含有市場上可買到的納米顆粒，其寬度約為病毒的寬度(45-65納米)。

然后將纖維在烤箱中烘干以固定涂層。

為了測試納米粒子嵌入的纖維粘附在聚合物基體上的強度，研究人員制作了纖維增強復合梁，纖維沿一個方向排列。

Bowland進行了應力測試，在測試中，懸臂的兩端是固定的，同時評估機械性能的機器在梁的中間施加推力，直到梁失效。

為了研究這種復合材料的傳感能力，他在懸臂梁的兩側安裝了電極。

在一臺被稱為“動態機械分析儀”的機器中，他夾住一端，使懸臂保持靜止。

機器在另一端施加力使懸梁彎曲，同時鮑蘭德監測電阻的變化。

研究人員還測試了用不同數量的納米顆粒制成的復合材料的耗散能量的能力(通過振動阻尼行為測量)，這種能力將有利于結構材料受到沖擊、震動和其他應力和應變源時應對影響。

在每一種濃度下，納米顆粒都能增強能量耗散(從65%到257%的不同程度)。

Bowland和Naskar已經申請了一項制造自感知碳纖維復合材料的工藝專利。

原標題: 多功能復合材料碳化硅納米顆粒沉積碳纖維的滾動條式加工.

來源:前瞻網