纳米缝合让复合材料更轻更坚韧

该示意图显示了具有复合层的工程材料。碳纤维层（长银管）之间有微观的碳纳米管森林（微小的棕色物体阵列）。这些微小而密集的纤维将各层夹紧并固定在一起，就像超强的尼龙搭扣一样，防止各层剥落或剪断。图片来源：BRIAN WARDLE 等人

美国麻省理工学院工程师证明，他们使用新开发的纳米缝合方法可防止复合材料层之间的裂纹扩展。通过在复合材料层之间沉积化学生长的“碳纳米管森林”，微小而密集的纤维将各层紧紧地固定在一起，就像超强的尼龙搭扣一样，防止各层剥落或剪断。相关研究18日发表在美国科学促进会网站上。

为了节省燃料并减少飞机排放，研究人员正在寻求用先进复合材料制造更轻、更强的飞机。这些复合材料由嵌入聚合物片材中的高性能纤维制成，片材可堆叠压制成一种多层材料，并制成极其轻质且耐用的结构。

但复合材料有一个弱点：层与层之间的空间，通常需填充聚合物“胶水”，以将各层黏合在一起。如果发生撞击，裂纹很容易在各层之间扩散并削弱材料强度。随着时间推移，复合材料可能会在没有任何警告的情况下突然崩溃。

此次团队在对薄层碳纤维层压板进行的实验证明，与传统聚合物的复合材料相比，通过纳米缝合黏合的各层可将材料的抗裂性提高60%。

纳米缝合的概念涉及“种植”垂直排列的“碳纳米管森林”——碳的中空纤维。每根碳纳米管都很小，以至于数百亿纳米管可以站立在比指甲还小的区域中。为了生长纳米管，该团队使用化学气相沉积工艺，使碳作为微小的支撑物沉积在表面上。这些支撑物最终会被移除，留下一片密集的“碳卷森林”。

研究人员设想，任何采用传统复合材料的车辆或结构都可通过纳米缝合变得更轻、更坚韧、更有弹性。下一代飞机如果采用复合材料与纳米缝合技术结合在一起，可使飞机更安全并具有更长的使用寿命。