“納米縫線”使複合材料更堅韌

為了節省燃料並減少飛機排放，研究人員正在尋求用先進複合材料製造更輕、更強的飛機。這些複合材料由嵌入聚合物片材中的高性能纖維製成，片材可堆疊壓製成一種多層材料，並製成極其輕質且耐用的結構。但複合材料有一個弱點，即層與層之間的空間，通常需填充聚合物“膠水”，以將各層黏合在一起。如果發生撞擊，裂紋很容易在各層之間擴散並削弱材料強度。隨着時間推移，複合材料可能會在沒有任何警告的情況下突然崩潰。美國麻省理工學院研究人員日前發佈消息稱，他們使用新開發的納米縫合方法可防止複合材料層之間的裂紋擴展。通過在複合材料層之間沉積化學生長的“碳納米管森林”，微小而密集的纖維將各層緊緊地固定在一起，就像超強的尼龍搭扣一樣，防止各層剝落或剪斷。

在最新研究中，研究團隊更深入研究複合材料中的層間區域，以測試和量化納米縫合如何提高該區域的抗裂性。特別是，該研究的重點是一種稱為薄層碳纖維層壓板的先進複合材料。研究人員指出，這是一種新興的複合材料技術，每層或層厚約五十微米，而標準複合層為一百五十微米，大約是人類頭髮的直徑。有證據表明它們比標準厚度的複合材料更好，這種材料可以帶來更有彈性的飛機、高價值的航空航天結構以及太空和軍用車輛。

研究團隊在對薄層碳纖維層壓板開展一系列實驗證明，與傳統聚合物的複合材料相比，通過納米縫合黏合的各層可將材料的抗裂性提高百分之六十。研究人員表示，這些結果有助於解決先進複合材料的主要漏洞。

研究人員指出，納米縫合的概念涉及“種植”垂直排列的“碳納米管森林”——碳的中空纖維。每根碳“納米管”都很小，以至於數百億納米管可以站立在比指甲還小的區域中。為了生長“納米管”，該團隊使用化學氣相沉積工藝，使碳作為微小的支撐物沉積在表面上。這些支撐物最終會被移除，留下一片密集的“碳卷森林”。研究團隊還製作了薄層碳纖維層壓板的樣品，由此產生的先進複合材料厚度約為三毫米，由六十層組成，每層由嵌入聚合物片中的剛性水平纖維製成。

研究人員設想，任何採用傳統複合材料的車輛或結構都可通過納米縫合變得更輕、更堅韌、更有彈性。下一代飛機如果採用複合材料與納米縫合技術結合在一起，可使飛機更安全並具有更長的使用壽命。下一步，研究團隊計劃再提高複合材料的效率，讓其效果更佳。

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