德克萨斯A&M大学的范达纳·苏雷什 碳纤维上蜂窝状纳米晶体的电子显微照片
学分:博士
阿米尔·阿萨迪/德克萨斯农工大学；m大学工程学院 用超细碳纤维增强的聚合物是“轻如鸿毛、强如钢铁”的复合材料的缩影，使它们在多个行业得到了广泛的应用
添加碳纳米管可以进一步增强复合材料的功能
但是，用于掺入碳纳米管的化学过程最终会使碳纳米管在复合材料上的分布不均匀，从而限制了最终能够达到的强度和其他有用的质量
在一项新的研究中，德克萨斯A&M大学的研究人员使用一种叫做纤维素纳米晶体的天然植物产品，将碳纳米管均匀地钉在碳纤维复合材料上
研究人员说，他们规定的方法比传统方法更快，也允许从纳米尺度设计碳纤维复合材料
这项研究的结果在线发表在《美国化学学会应用纳米材料》杂志上
复合材料是分层建造的
例如，聚合物复合材料由碳纤维或凯夫拉尔纤维等纤维层和聚合物基体组成
这种分层结构是复合材料弱点的来源
对这些层的任何损坏都会导致断裂，这一过程在技术上被称为分层
为了增加强度并赋予碳纤维复合材料其他所需的品质，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，从而降低添加这些颗粒的整体益处
显示蜂窝状纳米晶体如何帮助碳纳米管在碳纤维复合材料上均匀分布的示意图
学分:博士
阿米尔·阿萨迪/德克萨斯农工大学；m大学工程学院 “纳米粒子的问题类似于当你在牛奶中加入粗咖啡粉时会发生的情况——粉末会结块或相互粘在一起，”博士说
阿米尔·阿萨迪，工程技术和工业分布系助理教授
“为了充分利用碳纳米管，首先需要将它们相互分离，然后以某种方式设计，使其到达碳纤维复合材料中的特定位置
" 为了促进碳纳米管的均匀分布，阿萨迪和他的团队转向纤维素纳米晶体，一种容易从回收木浆中获得的化合物
这些纳米晶体分子上有吸引水的片段和被水排斥的其他片段
阿萨迪说，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地分散碳纤维，就像亲水性的糖均匀地溶解在水中，而不是聚集并沉淀在杯底一样
在他们的实验中，研究人员使用了一种市售的碳纤维布
在这块布上，他们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的物品混合在一起
最后，他们让材料干燥，并在上面涂上树脂，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，阿萨迪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，使纳米管定向在同一方向
他们还发现，通过测量材料在极端载荷下的机械性能，纤维素纳米晶体使复合材料的抗弯强度提高了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
阿萨迪说:“这种方法让我们能够更好地控制聚合物复合材料的宏观性能。”
“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，这将有助于各种行业，包括航空和汽车制造业
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