来自回收木材废料的纳米晶体使碳纤维复合材料更坚固

用超细碳纤维束增强的聚合物是“轻如鸿毛、坚如钢”的复合材料的缩影，使其在多个行业中具有多种应用。添加称为碳纳米管的材料可以进一步增强复合材料的功能。但是用于结合碳纳米管的化学过程最终会在复合材料上不均匀地分布它们，限制了最终可以实现的强度和其他有用的品质。

在一项新的研究，得克萨斯州A与M大学研究人员利用天然植物产品，名为纳米微晶纤维素，对销和大衣碳纳米管均匀地在碳纤维复合材料。研究人员表示，他们规定的方法比传统方法更快，并且还允许从纳米级设计碳纤维复合材料。

研究结果在线发表在化学学会(ACS)应用纳米材料杂志上。

复合材料是分层构建的。例如，聚合物复合材料由纤维层(如碳纤维或 Kevlar)和聚合物基体制成。这种分层结构是复合材料薄弱的根源。层的任何损坏都会导致断裂，这一过程在技术上称为分层。

为了增加强度并赋予碳纤维复合材料其他理想的品质，例如导电性和导热性，通常会添加碳纳米管。然而，用于将碳纳米管结合到这些复合材料中的化学过程通常会导致纳米颗粒结块，从而降低了添加这些颗粒的整体效益。

“纳米粒子的问题类似于将粗咖啡粉添加到牛奶中时发生的情况——粉末结块或相互粘连，”工程技术和工业分销系助理教授 Amir Asadi 博士说。“为了充分利用碳纳米管，它们首先需要相互分离，然后以某种方式设计到碳纤维复合材料内的特定位置。”

为了促进碳纳米管的均匀分布，Asadi 和他的团队转向了纤维素 纳米晶体，这是一种很容易从回收木浆中获得的化合物。这些纳米晶体在其分子上有吸引水的片段和被水排斥的其他片段。Asadi 说，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。

纤维素纳米晶体的疏水部分与碳纤维结合并将它们固定在聚合物基质上。另一方面，纳米晶体的吸水部分有助于均匀分散碳纤维，就像亲水性糖如何均匀地溶解在水中，而不是结块并沉淀到杯底。

在他们的实验中，研究人员使用了一种市售的碳纤维布。他们在这块布上加入了纤维素纳米晶体和碳纳米管的水溶液，然后施加强烈的振动将所有物品混合在一起。最后，他们让材料干燥并在其上涂抹树脂，以逐渐形成碳纳米管涂层的聚合物复合材料。

在使用电子显微镜检查复合材料样品时，Asadi 和他的团队观察到纤维素纳米晶体附着在碳纳米管的尖端，使纳米管沿同一方向定向。他们还发现，基于对材料在极端载荷下的机械性能的测量，纤维素纳米晶体使复合材料的抗弯曲能力提高了 33%，层间强度提高了 40%。

“在这项研究中，我们采用了使用纤维素纳米晶体从纳米尺度设计复合材料的方法。这种方法使我们能够更好地控制宏观尺度上出现的聚合物复合材料的特性，”Asadi 说。“我们认为，我们的技术是扩大混合复合材料加工规模的一条途径，这将对包括航空和汽车制造在内的各个行业有用。”

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