能导电、可以进行自身结构健康监测！还有什么是新材料做不到的？

近日，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，证明此类涂层纤维材料作为复合材料的增强材料，比其他纤维增强复合材料更强大，并具有新的能力——自身结构健康监测功能。

碳纤维复合材料轻而坚固，应用越来越广泛。碳纤维复合材料由环氧树脂等聚合物基质和增强碳纤维组成。

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黏，这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。

这种损坏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。

威格纳研究员Chris Bowland表示：“通过了解复合材料内部的情况，你可以更好地判断它的健康状况，并知道是否有需要修复的损伤。”Bowland和ORNL的碳和复合材料小组组长Amit Naskar发明了这种卷对卷工艺。

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。当有足够的涂层纤维嵌入聚合物中时，纤维会形成电网络，成为导电复合材料。

而半导体纳米颗粒能够通过电导率的改变响应施加在复合材料上的压力，从而为复合材料添加导电功能。

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上的计算机机翼已承受了过大压力，并且提示需要进行检查。

为了测试纳米粒子嵌入的纤维粘附在聚合物基体上的强度，研究人员制作了纤维增强复合梁，纤维沿一个方向排列。

Bowland进行了应力测试，在测试中，悬臂的两端是固定的，同时评估机械性能的机器在梁的中间施加推力，直到梁失效。为了研究这种复合材料的传感能力，他在悬臂梁的两侧安装了电极。

在一台被称为“动态机械分析仪”的机器中，他夹住一端，使悬臂保持静止。机器在另一端施加力使悬梁弯曲，同时监测电阻的变化。

ORNL博士后研究员Ngoc Nguyen在傅立叶变换红外光谱仪中进行了额外的测试，以研究复合材料中的化学键，并提高对所观察到的增强的机械强度的理解。

研究人员还测试了用不同数量的纳米颗粒制成的复合材料的耗散能量的能力，这种能力将有利于结构材料受到冲击、震动和其他应力和应变源时应对影响。在每一种浓度下，纳米颗粒都能增强能量耗散（从65%到257%的不同程度）。

ORNL的卷对卷技术证明，该方法可用于大规模生产下一代复合材料的涂层纤维。

这种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。

它可以在无处不在的产品中找到自己的位置，甚至包括3D打印的汽车和建筑。

Bowland和Naskar已经申请了一项制造自感知碳纤维复合材料的工艺专利。“浸渍涂层提供了一种利用正在开发的新型纳米材料的新途径。”Bowland表示。