源自回收木材废料的纳米晶体使碳纤维复合材料更坚韧

美国德克萨斯农工大学的研究人员使用一种称为纤维素纳米晶体的天然植物产品，将碳纳米管均匀分布在碳纤维复合材料上。电子显微照片显示碳纤维表面上的纳米晶体。用超细碳纤维束增强的聚合物是复合材料的缩影，这种复合材料像羽毛一样轻，像钢铁一样坚固，这使其在许多行业中得到了广泛的应用。如果添加碳纳米管，则可以进一步增强复合材料的功能，但是用于整合碳纳米管的化学过程最终使它们在复合材料上的分布不均匀，这限制了强度和其他有用特性的最终实现。研究人员说，他们的方法比传统方法更快，并且可以从纳米尺度设计碳纤维复合材料。这项研究的结果发表在美国化学学会（ACS）应用纳米材料杂志的网站上。

复合材料由层组成。例如，聚合物复合材料由诸如碳纤维和芳族聚酰胺纤维的纤维层和聚合物基质组成。这种分层结构正是复合材料薄弱的根源。对该层的任何损坏都会导致破裂。技术上称为分层。为了增加强度并赋予碳纤维复合材料其他期望的质量，例如电导率和热导率，通常添加碳纳米管。然而，用于将碳纳米管整合到这些复合材料中的化学过程经常引起纳米颗粒的聚集，从而降低了添加这些颗粒的总体益处。工程技术和工业布局部助理教授Amir Asadi博士说：“使用纳米颗粒的问题就像在牛奶中添加粗咖啡粉。粉末结块或粘在一起。为了充分利用碳纳米管，它们需要彼此结合。分开，然后以某种方式将碳纳米管分布到碳纤维复合材料中的特定位置。为了使碳纳米管更均匀地分布，Asadi和他的团队转向了纤维素纳米晶体，这是很容易从回收木浆中获得的化合物。这些纳米晶体具有可以吸收水和其他物质的分子。疏水部分的碎片。这种独特的分子结构为构建纳米级复合材料提供了理想的解决方案。该纤维素纳米晶体的疏水部分与碳纤维结合并固定在聚合物基质上。另一方面，纳米晶体的亲水部分有助于将碳纤维均匀分散，就像糖（它是亲水的）一样，均匀地溶解在水中而不是凝结并沉入杯子底部。我们在实验中使用了商用碳纤维布。他们在此布中添加了含有纤维素纳米晶体和碳纳米管的水溶液，然后将它们全部剧烈振动。最后，他们把布擦干了。 

然后在其上施加树脂以逐渐形成碳纳米管涂层的聚合物复合材料。示意图显示纤维素纳米晶体有助于碳纳米管均匀分布在碳纤维复合材料上。在取样时，Asadi和他的团队发现纤维素纳米晶体附着在碳纳米管的尖端，使纳米管面对相同的方向。根据材料在极限载荷下的机械性能测试，他们还发现，纤维素纳米晶体的复合材料的抗弯强度提高了33％，层间强度提高了40％。 Asadi说：“在这项研究中，我们采用了一种使用纤维素纳米晶体从纳米级设计复合材料的方法。这种方法使我们可以更好地控制聚合物复合材料的宏观性能。我们相信，我们的技术是增加混合复合材料加工规模的一种方式，适用于许多行业，包括航空和汽车制造业。 ”