美国能源部橡树岭国家实验室的科学家开发了一种方法，展示了如何使汽车、航空航天和可再生能源行业中使用的纤维增强聚合物复合材料变得更强韧，以更好地承受长期的机械或结构应力。

详细介绍这项研究的论文题为“通过分层形成增强复合材料的韧性”，发表在《高级科学》杂志上，并刊登在该杂志的内封面上。

复合材料已经有很多优点。与金属同类产品相比，它们坚固且轻便。它们还具有耐腐蚀和耐疲劳的特性，并且可以根据特定的工业性能要求进行定制。然而，它们很容易因应变而损坏，因为它们是由两种不同的材料(刚性纤维和软基质或粘合剂物质)组合而成的。两种材料之间的界面必须得到改善，因为它会影响复合材料的整体机械性能。

橡树岭国家实验室的苏米特·古普塔(SumitGupta)表示，研究小组沉积了蜘蛛网等热塑性纳米纤维，以化学方式形成支撑网络，使界面变得坚韧。他们的技术不同于用聚合物涂覆纤维表面或提供刚性支架以改善纤维与基质之间的粘合的传统方法，这些方法已被证明效率低下且昂贵。

古普塔说，他和团队仔细选择了纳米纤维和基质材料，以创建高表面积的脚手架或桥接作为负载转移路径，这是一种在增强纤维和周围基质材料之间传递应力的机制。

“我们的工艺使材料能够承受更大的应力。通过使用这种简单、可扩展且低成本的方法，我们能够将复合材料的强度提高近60%，韧性提高100%，”他说。

采用这种先进技术制造的复合材料可以改善我们日常生活中应用的无数事物，从车辆到飞机。

“一旦我们了解了我们所开发产品背后的基础科学和化学原理，我们就确信我们拥有有价值的应用技术，”橡树岭国家实验室的克里斯托弗·鲍兰说。“开拓新技术和了解基础科学是我们所做工作的一个方面。应用研究的另一个方面是探索如何将技术转化为现实世界的应用以造福社会。与橡树岭国家实验室的技术转让团队合作，这项研究已申请专利，有可能将该技术转化为商业合作伙伴。”

Bowland表示，未来的研究在于具有相容化学基团的不同纤维和基质系统，研究人员计划对纳米纤维本身进行更多研究，以提高其强度。

这项研究是美国能源部能源效率和可再生能源办公室(VTO-EERE)车辆技术办公室材料技术项目新建立的复合材料核心项目2.0的一部分。该项目由橡树岭国家实验室牵头，参与实验室包括太平洋西北国家实验室和国家可再生能源实验室，致力于通过先进材料开发来提高车辆效率。

“实现该计划目标的一个途径是用碳纤维复合材料取代较重的钢部件，碳纤维复合材料目前具有最佳的减重潜力，”橡树岭国家实验室碳和复合材料小组负责人阿米特·纳斯卡(AmitNaskar)说。“在高性能纤维增强复合材料中开发更强韧的界面相可以减少纤维体积分数，从而改善复合材料结构的质量减少和随后的成本效益。”

研究团队利用ORNL计算和数据科学用户设施的资源进行计算研究，以了解基本的键合力。该团队还在纳米相材料科学中心(CNMS)使用原子力显微镜来表征设计的界面的刚度或刚度。CNMS是美国能源部科学办公室位于ORNL的用户设施。

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