碳纖維復(fù)合材料-重量輕、強度高-是汽車、飛機和其他交通工具的重要結(jié)構(gòu)材料。它們由一種聚合物基體(如)組成，其中嵌入了增強碳纖維。由于這兩種材料的力學(xué)性能不同，纖維在過度的應(yīng)力或疲勞作用下可以與基體分離。這意味著碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷可以隱藏在表面之下，通過目測無法察覺，有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。

　　能源部橡樹嶺國家實驗室的Wigner研究員克里斯·鮑蘭德(Chris Bowland)說：“碳纖維復(fù)合材料會災(zāi)難性地失效，所以在整個結(jié)構(gòu)失效之前，你不會看到損壞?！薄巴ㄟ^了解復(fù)合材料內(nèi)部的情況，你可以更好地判斷它的健康狀況，并知道是否有損壞需要修復(fù)?！?

　　

　　最近，鮑蘭德(Bowland)和ORNL碳與復(fù)合材料集團(ORNL)的領(lǐng)導(dǎo)者阿米特·納斯卡爾(Amit Naskar)發(fā)明了一種輥軋工藝，用半導(dǎo)體碳化硅納米粒子包覆導(dǎo)電碳纖維。這種納米材料嵌入復(fù)合材料比其他纖維增強復(fù)合材料更強，并注入了一種新的能力-監(jiān)測自身結(jié)構(gòu)健康的能力。

　　當(dāng)足夠多的涂層纖維嵌入聚合物中時，所述纖維產(chǎn)生一個電網(wǎng)絡(luò)，所述塊狀復(fù)合材料成為導(dǎo)電材料。半導(dǎo)體納米粒子能在作用力的作用下破壞這種導(dǎo)電性，為復(fù)合材料增加一種機電功能。

　　如果復(fù)合材料被拉伸，涂層纖維的連通性就會被破壞，材料中的電阻也會發(fā)生變化。如果風(fēng)暴湍流導(dǎo)致復(fù)合飛機機翼彎曲，一個電信號可能會警告飛機的計算機，機翼承受了過度的壓力，并建議進行檢查。

　　ORNL的輥軋工藝演示從原則上證明了該方法可以推廣到大規(guī)模生產(chǎn)下一代復(fù)合材料涂層纖維。可能是用可再生聚合物基體和低成本碳纖維制成的自感知復(fù)合材料，甚至包括3D打印的車輛和建筑物，都可以在無處不在的產(chǎn)品中找到自己。

　　為了制造納米粒子嵌入的纖維，研究人員將高性能碳纖維的線軸加載到將纖維浸在環(huán)氧樹脂中的滾筒上，這些纖維中裝載了大約病毒寬度(45-65納米)的可供商業(yè)使用的納米粒子。然后，纖維在烤箱中烘干以確定涂層。

　　

　　為了測試納米纖維附著在聚合物基體上的強度，研究人員制作了纖維增強復(fù)合材料梁，纖維向一個方向排列。鮑蘭德進行了應(yīng)力測試，其中懸臂兩端固定，而評估機械性能的機器推到梁的中間，直到它失敗。為了研究復(fù)合材料的傳感性能，他在懸臂梁兩側(cè)貼上電極。在一臺叫做“動態(tài)機械分析儀”的機器里，他夾住一端，使懸臂固定不動。機器在另一端施加力使梁彎曲，而Bowland則監(jiān)測電阻的變化。ORNL博士后研究員Ngoc Nguyen在傅里葉變換紅外光譜儀中進行了額外的試驗，以研究復(fù)合材料中的化學(xué)鍵，并提高對觀察到的增強機械強度的理解。

　　研究人員還測試了用不同數(shù)量的納米粒子制成的復(fù)合材料是否有能力消散能量-通過減振行為來衡量-這種能力將有利于結(jié)構(gòu)材料承受沖擊、震動和其他應(yīng)力和應(yīng)變來源。在每一種濃度下，納米粒子增強了能量的消耗(增加了65%到257%)。

　　鮑蘭德(Bowland)和納斯卡爾(Naskar)已經(jīng)申請了制造自感知碳纖維復(fù)合材料的專利。

　　鮑蘭德說：“浸漬涂層為開發(fā)中的新型納米材料提供了一條新的途徑?！?

　　ORNL的實驗室指導(dǎo)研究和開發(fā)項目支持這項研究，該研究發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會的期刊ACS應(yīng)用材料與接口上。