由于碳纤维和聚合物树脂的机械性能不同,前者在过度的应力或疲劳下可能会与后者分离。因此,碳纤维复合材料结构中的损坏可能仍然隐藏在表面下方,通过目视检查无法检测到,可能导致灾难性故障。

“碳纤维复合材料在灾难性情况下失败,因此在整个结构失效之前你不会看到损坏,”能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的克里斯鲍兰德说。“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。”

ORNL开发自感复合材料-复合材料网

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不仅被认为比任何其他纤维增强复合材料更强大,而且还具有新的能力 - 监测其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。例如,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经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用于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,环氧树脂载有大约病毒宽度(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。

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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,其中该悬臂的两端都被固定,而评估机械性能的机器被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。在动态机械分析仪中,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。在每种浓度下,纳米颗粒都能增强能量消耗(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。