源自回收木材废料的纳米晶使碳纤维复合材料更加坚韧

美国德克萨斯州农工大学的研究人员们使用了一种名为纤维素纳米晶的天然植物产品，来使碳纳米管均匀地分布到碳纤维复合材料上。

该电子显微照片显示出碳纤维表面的纳米晶

采用超细碳纤维束增强的聚合物是轻如羽毛、强如钢铁的复合材料的缩影，这使它们在很多行业领域得到了广泛应用。

如果添加碳纳米管，可以进一步增强复合材料的功能，但用于整合碳纳米管的化学过程最终却使它们在复合材料上的分布不均匀，从而限制了强度和其他有用性能的最终实现。

研究人员们表示，他们的方法要比传统方法快，能够从纳米尺度来设计碳纤维复合材料。

这项研究成果被发布在美国化学学会（ACS）《应用纳米材料》杂志的网站上。

复合材料由层构成，比如，聚合物复合材料由诸如碳纤维和芳纶纤维等纤维层及聚合物基体构成，这种层状结构恰恰是复合材料弱点的根源，层的任何损坏都会导致断裂，这在技术上被称为分层。

为了提高强度，以及赋予碳纤维复合材料其他理想的品质，如导电性和导热性，通常需要加入碳纳米管。

然而，用于将碳纳米管整合到这些复合材料中的化学过程通常会引起纳米颗粒的聚集，从而降低添加这些粒子的总体收益。

工程技术与产业布局部门助理教授Amir Asadi博士说：“使用纳米粒子的问题就像往牛奶里加入粗咖啡粉，粉末互相结块或粘在一起。为了充分利用碳纳米管，首先需要将它们彼此分开，然后以某种方式使碳纳米管分布到碳纤维复合材料中的特定位置。”

为使碳纳米管更均匀地分布，Asadi及其团队转向采用纤维素纳米晶，这是一种很容易从回收木浆中获得的化合物。

这些纳米晶的分子上有可以吸收水分和其他被水排斥的部分的片段，这种独特的分子结构为在纳米尺度上构建复合材料提供了理想的解决方案。

这种纤维素纳米晶的疏水部分与碳纤维结合，并将它们固定到聚合物基体上。

另一方面，纳米晶中的亲水部分有助于碳纤维的均匀分散，就像糖（它是亲水的）一样，均匀地溶解在水中，而不是结块并沉入杯底。

研究人员们在试验中使用了一种商用碳纤维布。它们向这种布上加入了含纤维素纳米晶和碳纳米管的水溶液，然后通过剧烈振动使所有这些混合在一起。

最后，他们把布晾干，然后在上面涂上树脂，逐步形成碳纳米管涂覆的聚合物复合材料。

该示意图显示出纤维素纳米晶有助于碳纳米管均匀地分布在碳纤维复合材料上

在采用电子显微镜检查复合材料样品时，Asadi及其团队发现，这种纤维素纳米晶附着在碳纳米管的尖端，使纳米管朝向同一方向。

基于在极限载荷下对材料力学性能的测试，他们还发现，纤维素纳米晶使复合材料的弯曲强度提高了33%，层间强度提高了40%。

Asadi说：“在此研究中，我们采取了利用纤维素纳米晶从纳米尺度设计复合材料的方法，这种方法使我们能更好地控制聚合物复合材料在宏观尺度上展现出的性能。我们认为，我们的技术是提高混合复合材料加工规模的一条途径，这种材料适用于许多行业，包括航空和汽车制造业。”