强度提高60%、韧性提高100%！橡树岭实验室开发出复材坚韧化方法

美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科学家们开发了一种方法，它展示了如何使得用于汽车、航空航天和可再生能源行业中的纤维增强聚合物复合材料变得更坚固、更坚韧，从而更好地承受长期的机械或结构应力。

这张图展示了一种非常规的方法，它可以使广泛使用的复合材料变得更坚固、更坚韧。热塑性纤维像蜘蛛网一样沉积在刚性纤维上，与周围的基体或粘合剂物质形成化学支撑网络

与金属材料相比，纤维增强复合材料已经拥有很多有点，比如它们既坚固又轻便，还具有耐腐蚀和抗疲劳性，而且可以根据特定的工业性能要求进行定制化。然而，由于纤维增强复合材料由两种不同的材料（刚性纤维和软基体或粘合剂物质）组合而成，因此它们很容易受到应变损伤。由于两种材料之间的界面相影响复合材料的整体力学性能，因此需要改进。

ORNL的Sumit Gupta表示，研究团队将热塑性纳米纤维像蜘蛛网一样沉积，并以化学方式形成一个支撑网络，从而使界面变坚韧。他们的技术与传统方法不同，传统方法是在纤维表面涂覆聚合物或提供刚性支架来改善纤维和基体之间的结合，这些方法往往是低效且价格昂贵。

Gupta指出他们精心挑选了纳米纤维和基体材料，来制造高表面积的支架或桥接作为载荷传递路径，通过这种机制，应力在增强纤维和周围的基体材料之间传递。研究团队使用ORNL计算和数据科学用户设施的资源进行计算研究，以了解基本的结合力。该团队还利用纳米相材料科学中心（CNMS）的原子力显微镜来表征所设计界面的刚度。

Gupta说：“我们的工艺使材料能够承受更大的应力。通过使用这种简单、可扩展和低成本的方法，能够将复合材料的强度提高近60%、韧性提高100%。”用这种先进技术制造的复合材料可以改善我们日常生活中应用的无数东西，包括从汽车到飞机。

ORNL的Christopher Bowland说：“一旦了解了我们开发材料背后的基础科学和化学原理，我们就有信心拥有了有价值的应用技术。开拓新技术和理解基础科学是我们工作的一个方面。然而，应用研究的另一个方面是探索如何将技术转化为现实世界的应用，以造福社会。与ORNL的技术转移团队合作，这项研究已申请了专利，有可能将技术转化给商业合作伙伴。”Bowland表示，未来的研究将集中在具有兼容化学基团的不同纤维和基体体系，研究人员计划对纳米纤维本身进行更多研究，以提高其强度。

该项研究是美国能源部能源效率和可再生能源办公室车辆技术办公室材料技术项目新设立的复合材料核心项目2.0的一部分。该项目由ORNL主导、太平洋西北国家实验室和国家可再生能源实验室共同参与完成，主要致力于通过先进材料开发提高汽车效率。

ORNL碳纤维与复合材料部门负责人Amit Naskar表示：“实现该计划目标的一条途径是用碳纤维复合材料取代较重的钢构件，这是目前具有最佳减重潜力的材料。在高性能纤维增强复合材料中开发更强、更坚韧的界面可以减少纤维体积分数，从而提高复合材料结构的质量减少率和后续成本效益。”