纳米缝合技术：轻量且坚固的复合材料

工程师们正在寻求使用先进复合材料打造更轻、更坚固的飞机，以便节省燃料并减少飞机排放。这些工程材料由高性能纤维嵌入在聚合物片中制成。这些片可以堆叠并压制成一种多层材料，并制成极其轻盈和耐用的结构。

然而，复合材料有一个主要的脆弱点：通常填充在层间的空隙，这些空隙通常会用聚合物“胶水”粘合层。在受到冲击或撞击时，裂缝很容易在层间扩散并削弱材料，即使层本身可能没有可见的损伤。随着这些隐藏的裂缝在层间扩散，复合材料可能会突然崩溃。

麻省理工学院的工程师们现在表明，他们可以防止裂缝在复合材料的层间扩散，他们采用了一种称为“纳米缝合”的方法，即在复合材料层间沉积化学生长的微观碳纳米管森林。这些微小而密集的纤维像超强力的钩子和环一样抓住并连接层，防止层间剥离或剪切。

在对一种名为薄层碳纤维层压板的先进复合材料进行实验时，团队证明了使用纳米缝合粘合的层提高了材料抗裂性能达60%，相比之下，使用传统聚合物的复合材料。研究人员表示，这些结果有助于解决先进复合材料的主要脆弱性。

麻省理工航空航天系教授布莱恩·沃德尔说：“就像菲洛面团会脱落一样，复合材料层可以因为层间区域是复合材料的软肋而剥离。”“我们展示了纳米缝合使得这个通常脆弱的区域如此坚固和耐用，以至于裂缝不会在那里扩展。因此，我们可以期待下一代飞机采用这种纳米钩环结构的复合材料，使飞机更安全且具有更长的使用寿命。”

研究结果已发表在《ACS应用材料与界面》杂志上，该研究的第一作者是前麻省理工访问研究生和博士后卡罗利娜·弗塔多，还有里德·科普、辛琛·尼、卡洛斯·萨拉多、艾斯特尔·卡尔芬-科恩和佩德罗·卡曼尼奥。

在麻省理工，沃德尔是necstlab（读作“next lab”）的主任，他和他的团队首次提出了纳米缝合的概念。这种方法涉及“种植”垂直排列的碳纳米管森林——碳的空心纤维，每根都如此之小，以至于数百亿的纳米管可以站在比指甲盖还小的区域内。为了生长纳米管，团队使用化学气相沉积的过程，在烤箱中让各种催化剂发生反应，使碳沉积在表面上形成微小的像毛发支撑物一样的结构。这些支撑物最终被移除，留下了密集的微观垂直碳卷森林。

实验室此前已经表明，纳米管森林可以生长并粘合到复合材料层，并且这种纤维增强复合材料提高了材料的整体强度。研究人员也注意到一些迹象表明，这些纤维可以改善复合材料层间裂缝的抵抗力。

在新的研究中，工程师们更深入地研究了复合材料中层间区域，以测试和量化纳米缝合如何提高这一区域的抵抗裂缝的能力。特别是，研究集中在一种名为薄层碳纤维层压板的先进复合材料上。

研究的试验由卡罗利娜·弗塔多领导，她于2016年加入麻省理工-葡萄牙项目，作为博士后继续进行该项目，并且现在是葡萄牙波尔图大学的教授，她的研究重点是模拟先进复合材料中的裂纹和损伤。

在她的测试中，弗塔多使用了团队的化学气相沉积技术来生长密集的垂直排列的碳纳米管森林。她还制备了薄层碳纤维层压板的样品。得到的先进复合材料约3毫米厚，包括60层，每一层都由硬质水平纤维嵌入在聚合物片中制成。

她将纳米管森林转移到复合材料的两个中间层之间，并在高压釜中加热固化材料。为了测试裂缝的抵抗力，研究人员在复合材料的边缘上放置了一个裂纹，就在两个中间层之间的区域的开始处。

“在断裂测试中，我们总是从一个裂缝开始，因为我们想测试裂缝是否以及如何以及多远地扩展，”弗塔多解释道。

研究人员随后在实验设置中放置了纳米管增强的复合材料样品，以测试它们对“剥离”的抵抗力，即层分离的潜力。

沃德尔说：“有很多方法可以引起剥离的前兆，比如冲击，比如工具掉落、鸟撞、飞机滑行时的跑道擦伤，内部可能几乎不会有可见的损害，但却存在剥离。”“就像人类一样，如果你的骨头有微小的骨折，这是不好的。仅仅因为你看不到它，不意味着它不会影响你。而复合材料中的损伤很难检查。”

为了检验纳米缝合防止剥离的潜力，团队将他们的样品放置在一个设置中，测试了三种剥离模式，其中裂缝可以通过层间区域扩展并剥离层，或者使它们相互滑动，或者两者兼而有之。所有这三种模式都是常规复合材料内部剥离和崩溃的最常见方式。

这些测试显示，纳米缝合保持牢固，研究人员制造的初始裂缝无法在层间进一步扩展。相比用传统聚合物粘合的相同先进复合材料，经纳米缝合处理的样品抗裂性能提高了62%。

沃德尔说：“这是一项新的复合材料技术，被我们的纳米管‘加速’了。”

研究人员设想，任何使用常规复合材料的车辆或结构都可以通过纳米缝合变得更轻、更坚固和更有弹性。

弗塔多说：“您可以选择性地加固问题区域，加强孔洞或螺栓连接处，或者可能发生剥离的地方。”“这开启了一个巨大的机遇之窗。”