一种用半导体碳化硅纳米粒子包覆导电
碳纤维的辊轧工艺。这种纳米材料嵌入
复合材料比其他纤维增强复合材料更强，并注入了一种新的能力-监测自身结构健康的能力。
碳纤维复合材料-重量轻、强度高-是汽车、飞机和其他交通工具的重要结构材料。它们由一种聚合物基体(如
)组成，其中嵌入了增强碳纤维。由于这两种材料的力学性能不同，纤维在过度的应力或疲劳作用下可以与基体分离。这意味着碳纤维复合材料结构的损伤可以隐藏在表面之下，通过目测无法察觉，有可能导致灾难性的破坏。
能源部橡树岭国家实验室的Wigner研究员克里斯·鲍兰德(Chris Bowland)说：“碳纤维复合材料会灾难性地失效，所以在整个结构失效之前，你不会看到损坏。”“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，并知道是否有损坏需要修复。”
最近，鲍兰德(Bowland)和ORNL碳与复合材料集团(ORNL)的领导者阿米特·纳斯卡尔(Amit Naskar)发明了一种辊轧工艺，用半导体碳化硅纳米粒子包覆导电碳纤维。这种纳米材料嵌入复合材料比其他纤维增强复合材料更强，并注入了一种新的能力-监测自身结构健康的能力。
当足够多的涂层纤维嵌入聚合物中时，所述纤维产生一个电网络，所述块状复合材料成为导电材料。半导体纳米粒子能在作用力的作用下破坏这种导电性，为复合材料增加一种机电功能。
如果复合材料被拉伸，涂层纤维的连通性就会被破坏，材料中的电阻也会发生变化。如果风暴湍流导致复合飞机机翼弯曲，一个电信号可能会警告飞机的计算机，机翼承受了过度的压力，并建议进行检查。
ORNL的辊轧工艺演示从原则上证明了该方法可以推广到大规模生产下一代复合材料涂层纤维。可能是用可再生聚合物基体和低成本碳纤维制成的自感知复合材料，甚至包括3D打印的车辆和建筑物，都可以在无处不在的产品中找到自己。
为了制造纳米粒子嵌入的纤维，研究人员将高性能碳纤维的线轴加载到将纤维浸在环氧树脂中的滚筒上，这些纤维中装载了大约病毒宽度(45-65纳米)的可供商业使用的纳米粒子。然后，纤维在烤箱中烘干以确定涂层。
为了测试纳米纤维附着在聚合物基体上的强度，研究人员制作了纤维增强复合材料梁，纤维向一个方向排列。鲍兰德进行了应力测试，其中悬臂两端固定，而评估机械性能的机器推到梁的中间，直到它失败。为了研究复合材料的传感性能，他在悬臂梁两侧贴上电极。在一台叫做“动态机械分析仪”的机器里，他夹住一端，使悬臂固定不动。机器在另一端施加力使梁弯曲，而Bowland则监测电阻的变化。ORNL博士后研究员Ngoc Nguyen在傅里叶变换红外光谱仪中进行了额外的试验，以研究复合材料中的化学键，并提高对观察到的增强机械强度的理解。
研究人员还测试了用不同数量的纳米粒子制成的复合材料是否有能力消散能量-通过减振行为来衡量-这种能力将有利于结构材料承受冲击、震动和其他应力和应变来源。在每一种浓度下，纳米粒子增强了能量的消耗(增加了65%到257%)。
鲍兰德(Bowland)和纳斯卡尔(Naskar)已经申请了制造自感知碳纤维复合材料的专利。
鲍兰德说：“浸渍涂层为开发中的新型纳米材料提供了一条新的途径。”
ORNL的实验室指导研究和开发项目支持这项研究，该研究发表在美国化学学会的期刊ACS应用材料与接口上。
