新型纳米复合材料具备自我监测能力 可用于3D打印汽车

据外媒报道，美国橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员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。此类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——监测自身结构是否健康的能力。

碳纤维复合材料由环氧树脂等聚合物基质组成，其中嵌入了增强碳纤维。由于此两种材料的机械性能不同，纤维可能在过度的压力或疲劳下从基质脱落，即意味着碳纤维复合材料结构中的损坏部位可能隐藏在其表面之下，通常无法通过目视检查检测到，从而可能导致灾难性的故障。

当有足够的涂覆纤维嵌入聚合物中时，纤维会形成电网络，并且大部分复合材料会成为导电材料。而半导体纳米颗粒能够响应施加在其上面的压力，从而破坏电导率，为复合材料添加机电功能。

如果复合材料变形，涂层纤维的连接性就会破坏并且材料中的电阻会发生变化。如果有风暴湍流导致此类复合材料制成的飞机机翼发生弯曲，电子讯号就会警告飞机的计算机告知机翼已承受了过大压力，并且提示需要进行检查。

ORNL的卷对卷演示在原则上证明，该方法可用于大规模生产下一代复合材料的涂层纤维。此自我感知复合材料可由可再生聚合物基质和低成本的碳纤维材料制成。碳纤维材料无处不在，由3D打印制成的汽车和建筑物中就可以发现。

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45至65纳米宽的纳米粒子，然后将纤维放置烘箱中进行干燥，以固化涂层。

作者：余秋云