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下一代新型碳纖維材料将能“自我檢測”?它的應用可能無處不在

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下一代新型碳纖維材料将能“自我檢測”?它的應用可能無處不在

發布日期:2018-11-27 作者: 點擊:

碳纖維複合材料輕而堅固,是汽車、飛機和其他交通工具的重要結構材料。它們由聚合物基質組成,如環氧樹脂,其中嵌入了增強碳纖維。


由于這兩種材料力學性能的不同,纖維在過大的應力或疲勞下會從基體上脫落。


這意味着碳纖維複合材料結構的損傷可能仍然隐藏在表面以下,無法通過肉眼檢測到,從而可能導緻災難性的失效。


美國能源部橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)威格納研究員克裡斯·鮑蘭德(Chris Bowland)表示:“通過了解複合材料内部的情況,伱可以更好地判斷它的健康狀況,并知道是否有需要修複的損傷。”


最近,Bowland和ORNL的碳和複合材料小組組長Amit Naskar發明了一種滾動條式的方法,将導電碳纖維包裹在半導體碳化矽納米顆粒上。


這種納米材料嵌入的複合材料比其他纖維增強複合材料更強,并且具有一種新的能力——監測自身結構健康狀況的能力。


當足夠多的塗層纖維嵌入到聚合物中時,這些纖維就會形成一個電力網,而大塊複合材料就會導電。


半導體納米顆粒可以在外力的作用下破壞這種導電性,為複合材料增加機電功能。


如果複合材料被拉伸,塗層纖維的連接性就會被破壞,材料中的電阻就會發生變化。


如果風暴湍流導緻複合機翼彎曲,一個電信号可能會警告飛機的電腦以提示機翼承受了過大的壓力,并提出進行檢查的建議。


ORNL的滾動條式示範在原則上證明了該方法可以大規模生産下一代複合材料塗層纖維。


自感知複合材料,也許是由可再生聚合物基質和低成本碳纖維制成的,可以在無處不在的産品中找到自己的位置,甚至包括3D打印的汽車和建築。


為了制造嵌入納米顆粒的纖維,研究人員将高性能碳纖維的線軸裝在滾軸上,滾軸将纖維浸泡在環氧樹脂中,環氧樹脂中含有市場上可買到的納米顆粒,其寬度約為病毒的寬度(45-65納米)。


然後将纖維在烤箱中烘幹以固定塗層。


為了測試納米粒子嵌入的纖維粘附在聚合物基體上的強度,研究人員制作了纖維增強複合梁,纖維沿一個方向排列。


Bowland進行了應力測試,在測試中,懸臂的兩端是固定的,同時評估機械性能的機器在梁的中間施加推力,直到梁失效。


為了研究這種複合材料的傳感能力,他在懸臂梁的兩側安裝了電極。


在一台被稱為“動态機械分析儀”的機器中,他夾住一端,使懸臂保持靜止。


機器在另一端施加力使懸梁彎曲,同時鮑蘭德監測電阻的變化。


ORNL博士後研究員Ngoc Nguyen在傅立葉變換紅外光譜儀中進行了額外的測試,以研究複合材料中的化學鍵,并提高對所觀察到的增強的機械強度的理解。


研究人員還測試了用不同數量的納米顆粒制成的複合材料的耗散能量的能力(通過振動阻尼行為測量),這種能力将有利于結構材料受到沖擊、震動和其他應力和應變源時應對影響。


在每一種濃度下,納米顆粒都能增強能量耗散(從65%到257%的不同程度)。


Bowland和Naskar已經申請了一項制造自感知碳纖維複合材料的工藝專利。


“浸漬塗層提供了一種利用正在開發的新型納米材料的新途徑。”鮑蘭德說。


ORNL實驗室指導的研究和開發項目支持了這項研究,該研究發表在美國化學學會期刊“ACS應用材料與界面”(Applied Materials & Interfaces)上。


本文的題目是“多功能複合材料碳化矽納米顆粒沉積碳纖維的滾動條式加工”。


本文網址:http://www.sfxparish.net/news/405.html

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