該電子顯微照片顯示出碳纖維表面的納米晶

美國(guó)德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)的研究人員們使用了一種名為纖維素納米晶的天然植物產(chǎn)品，來(lái)使碳納米管均勻地分布到碳纖維復(fù)合材料上。

采用超細(xì)碳纖維束增強(qiáng)的聚合物是輕如羽毛、強(qiáng)如鋼鐵的復(fù)合材料的縮影，這使它們?cè)诤芏嘈袠I(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

如果添加碳納米管，可以進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合材料的功能，但用于整合碳納米管的化學(xué)過(guò)程最終卻使它們?cè)趶?fù)合材料上的分布不均勻，從而限制了強(qiáng)度和其他有用性能的最終實(shí)現(xiàn)。

研究人員們表示，他們的方法要比傳統(tǒng)方法快，能夠從納米尺度來(lái)設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料。

復(fù)合材料由層構(gòu)成，比如，聚合物復(fù)合材料由諸如碳纖維和芳綸纖維等纖維層及聚合物基體構(gòu)成，這種層狀結(jié)構(gòu)恰恰是復(fù)合材料弱點(diǎn)的根源，層的任何損壞都會(huì)導(dǎo)致斷裂，這在技術(shù)上被稱(chēng)為分層。

為了提高強(qiáng)度，以及賦予碳纖維復(fù)合材料其他理想的品質(zhì)，如導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，通常需要加入碳納米管。

然而，用于將碳納米管整合到這些復(fù)合材料中的化學(xué)過(guò)程通常會(huì)引起納米顆粒的聚集，從而降低添加這些粒子的總體收益。

研究人員說(shuō)：“使用納米粒子的問(wèn)題就像往牛奶里加入粗咖啡粉，粉末互相結(jié)塊或粘在一起。為了充分利用碳納米管，首先需要將它們彼此分開(kāi)，然后以某種方式使碳納米管分布到碳纖維復(fù)合材料中的特定位置。”

為使碳納米管更均勻地分布，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向采用纖維素納米晶，這是一種很容易從回收木漿中獲得的化合物。

這些納米晶的分子上有可以吸收水分和其他被水排斥的部分的片段，這種獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)為在納米尺度上構(gòu)建復(fù)合材料提供了理想的解決方案。

這種纖維素納米晶的疏水部分與碳纖維結(jié)合，并將它們固定到聚合物基體上。

另一方面，納米晶中的親水部分有助于碳纖維的均勻分散，就像糖（它是親水的）一樣，均勻地溶解在水中，而不是結(jié)塊并沉入杯底。

研究人員們?cè)谠囼?yàn)中使用了一種商用碳纖維布。它們向這種布上加入了含纖維素納米晶和碳納米管的水溶液，然后通過(guò)劇烈振動(dòng)使所有這些混合在一起。

最后，他們把布晾干，然后在上面涂上樹(shù)脂，逐步形成碳納米管涂覆的聚合物復(fù)合材料。

該示意圖顯示出纖維素納米晶有助于碳納米管均勻地分布在碳纖維復(fù)合材料上

在采用電子顯微鏡檢查復(fù)合材料樣品時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種纖維素納米晶附著在碳納米管的尖端，使納米管朝向同一方向。

基于在極限載荷下對(duì)材料力學(xué)性能的測(cè)試，他們還發(fā)現(xiàn)，纖維素納米晶使復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高了33%，層間強(qiáng)度提高了40%。

研究人員說(shuō)：“在此研究中，我們采取了利用纖維素納米晶從納米尺度設(shè)計(jì)復(fù)合材料的方法，這種方法使我們能更好地控制聚合物復(fù)合材料在宏觀(guān)尺度上展現(xiàn)出的性能。我們認(rèn)為，我們的技術(shù)是提高混合復(fù)合材料加工規(guī)模的一條途徑，這種材料適用于許多行業(yè)，包括航空和汽車(chē)制造業(yè)。”