納米縫合讓復合材料更輕更堅韌

該示意圖顯示了具有復合層的工程材料。碳纖維層（長銀管）之間有微觀的碳納米管森林（微小的棕色物體陣列）。這些微小而密集的纖維將各層夾緊并固定在一起，就像超強的尼龍搭扣一樣，防止各層剝落或剪斷。圖片來源：BRIAN WARDLE 等人

美國麻省理工學院工程師證明，他們使用新開發的納米縫合方法可防止復合材料層之間的裂紋擴展。通過在復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。相關研究18日發表在美國科學促進會網站上。

為了節省燃料并減少飛機排放，研究人員正在尋求用先進復合材料制造更輕、更強的飛機。這些復合材料由嵌入聚合物片材中的高性能纖維制成，片材可堆疊壓制成一種多層材料，并制成極其輕質且耐用的結構。

但復合材料有一個弱點：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并削弱材料強度。隨著時間推移，復合材料可能會在沒有任何警告的情況下突然崩潰。

此次團隊在對薄層碳纖維層壓板進行的實驗證明，與傳統聚合物的復合材料相比，通過納米縫合黏合的各層可將材料的抗裂性提高60%。

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，以至于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”。

研究人員設想，任何采用傳統復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。下一代飛機如果采用復合材料與納米縫合技術結合在一起，可使飛機更安全并具有更長的使用壽命。