一、納米縫合概述

近年來，人們對(duì)開發(fā)納米結(jié)構(gòu)混合（多尺度）復(fù)合材料的興趣與日俱增，在這種復(fù)合材料中，碳納米管（CNTs）等納米粒子與微米級(jí)纖維復(fù)合層壓板結(jié)合使用。麻省理工學(xué)院首次開發(fā)出這種增強(qiáng)技術(shù)——“納米縫合”。

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(shù)百億納米管可以站立在比指甲還小的區(qū)域中。為了生長納米管，該團(tuán)隊(duì)使用化學(xué)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(huì)被移除，留下一片密集的“碳卷森林”。

該技術(shù)可顯著提高層間剪切強(qiáng)度和低應(yīng)力下的斷裂韌性，尤其是疲勞壽命，并延遲/抑制次臨界損傷及其對(duì)組件的影響。這種熱電加固技術(shù)可提高層間剪切強(qiáng)度和斷裂韌性，顯著延長疲勞壽命（尤其是低應(yīng)力下的疲勞壽命），延遲/抑制層間次臨界損傷，并提高復(fù)合材料組件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度（損傷起始強(qiáng)度和極限強(qiáng)度）。此外，VA-CNTs還具有更好的熱電特性，可用于降低制造成本，提高復(fù)合材料的多功能性。

圖 納米縫合示意圖

二、 試驗(yàn)成果

使用J-Integral數(shù)據(jù)縮減方法的I型、II型和混合型斷裂的測試結(jié)果。所有樣本的一個(gè)共同點(diǎn)是，CNT增強(qiáng)導(dǎo)致層間裂紋分叉進(jìn)入層內(nèi)區(qū)域，并作為平行于層間平面的裂紋在層內(nèi)區(qū)域中保持?jǐn)U展。

圖 I型斷裂測試結(jié)果

圖 II型斷裂測試結(jié)果

圖 混合型斷裂測試結(jié)果

圖 I型、II型和混合型引發(fā)斷裂韌性

在層界面中加入排列整齊的碳納米管可增強(qiáng)抗裂性，使裂紋從增強(qiáng)的層間區(qū)域持續(xù)偏轉(zhuǎn)到相鄰層的層內(nèi)區(qū)域，即碳納米管將裂紋從層間區(qū)域驅(qū)趕到層內(nèi)。碳納米管不會(huì)顯著增加層間厚度或?qū)訅喊逯亓浚⒛鼙３謱觾?nèi)的微纖維形態(tài)。I 型和 II 型裂紋起始韌性分別提高了34%和62%。

三、納米縫合技術(shù)潛在應(yīng)用

除了顯著的輕量化效果，納米縫合技術(shù)還賦予復(fù)合材料更強(qiáng)的耐久性和更長的使用壽命。由于有效防止了層間裂紋的擴(kuò)散，采用納米縫合技術(shù)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)在面對(duì)極端環(huán)境、反復(fù)應(yīng)力變化以及意外撞擊時(shí)，都能展現(xiàn)出更高的可靠性，大大降低了因材料失效引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，這種技術(shù)還減少了因老化、疲勞等因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)退化，有助于延長飛機(jī)的服役年限，降低維護(hù)成本。

在汽車制造領(lǐng)域，輕量化同樣是提升燃油效率、減少排放的關(guān)鍵因素。納米縫合技術(shù)有望助力汽車制造商生產(chǎn)出更輕、更堅(jiān)固的車身及零部件，實(shí)現(xiàn)更高的燃油經(jīng)濟(jì)性和更低的環(huán)境足跡。同時(shí)，強(qiáng)化后的復(fù)合材料車身還能提供更好的碰撞保護(hù)，提升乘客安全。

無論是風(fēng)電葉片、橋梁結(jié)構(gòu)還是高層建筑，納米縫合技術(shù)都能為復(fù)合材料構(gòu)件提供更高的強(qiáng)度和耐久性，使得設(shè)計(jì)者能夠大膽創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、輕巧且節(jié)能的結(jié)構(gòu)方案。此外，這種技術(shù)在耐腐蝕、抗紫外線、防火等方面的優(yōu)勢，也將推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的材料標(biāo)準(zhǔn)提升。

在體育用品制造業(yè)，輕量化與高強(qiáng)度的復(fù)合材料日益受到青睞，尤其在自行車、網(wǎng)球拍、滑雪板、高爾夫球桿等高性能裝備中。納米縫合技術(shù)的應(yīng)用，可以使這些器材的復(fù)合材料部分更為堅(jiān)固耐用，同時(shí)減輕重量，從而提升運(yùn)動(dòng)員的操作靈活性與速度，降低能量損耗。此外，納米縫合增強(qiáng)的復(fù)合材料還具有良好的抗沖擊性和耐磨損性，確保器材在激烈運(yùn)動(dòng)中的持久性能。

醫(yī)療器械與生物醫(yī)學(xué)植入物對(duì)材料的生物相容性、強(qiáng)度、耐疲勞性及穩(wěn)定性有極高要求。納米縫合技術(shù)能夠顯著提升復(fù)合材料在這些方面的性能，使之成為制作人工關(guān)節(jié)、骨折固定裝置、心血管支架等植入物的理想選擇。納米縫合增強(qiáng)的復(fù)合材料不僅可以減輕植入物對(duì)患者身體的負(fù)擔(dān)，還能提高植入物的長期穩(wěn)定性和可靠性，降低并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。

船舶與海洋平臺(tái)在承受極端環(huán)境、海水腐蝕及長期振動(dòng)負(fù)載方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。納米縫合技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料船體、浮筒、管道、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等組件，可顯著提高其抗疲勞、抗腐蝕及抗沖擊性能，降低維護(hù)成本，延長使用壽命。此外，輕質(zhì)的納米縫合復(fù)合材料也有助于優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)，提高航行效率，降低燃油消耗。

在風(fēng)能、太陽能等可再生能源領(lǐng)域，大型葉片、塔架、電池封裝等關(guān)鍵部件對(duì)材料的輕量化、高強(qiáng)度及耐候性有較高要求。納米縫合技術(shù)能夠提升復(fù)合材料在這些部件中的表現(xiàn)，助力實(shí)現(xiàn)更高效的能源轉(zhuǎn)換和傳輸。此外，在電力輸配、石油天然氣輸送等基礎(chǔ)設(shè)施中，納米縫合復(fù)合材料可用于制作輕型、高強(qiáng)度的輸電塔、管道及儲(chǔ)罐，提高能源系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。

防護(hù)服、防彈裝甲、頭盔等個(gè)人防護(hù)裝備以及裝甲車輛、防護(hù)屏障等軍事裝備，對(duì)材料的防護(hù)性能和輕量化有極高需求。納米縫合技術(shù)可增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊、抗穿透能力，同時(shí)減輕裝備重量，提升穿戴者的機(jī)動(dòng)性和舒適度。在軍民兩用領(lǐng)域，納米縫合復(fù)合材料有望推動(dòng)防護(hù)裝備的升級(jí)換代，提供更高級(jí)別的安全保障。