美国橡树岭国家实验室的科学家开发新方法提升纤维增强聚合物复合材料性能，或引领航空航天等领域材料革新

美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（ORNL，美国田纳西州橡树岭）的科学家开发出了一种方法，可以展示如何使汽车、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坚固、更坚韧，以便更好地承受长时间的机械或结构应力。

虽然复合材料已经具有许多优点，但它们很容易受到应变损坏，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）组合而成的。据 ORNL 称，两种材料之间的界面需要改进，因为它会影响复合材料的整体机械性能。 

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ORNL 的 Sumit Gupta 表示，研究团队将热塑性纳米纤维像蜘蛛网一样沉积下来，以化学方式形成支撑网络，从而增强界面的韧性。他们的技术不同于传统的用聚合物涂覆纤维表面或提供刚性支架来改善纤维和基质之间粘合的方法，这些方法已被证明效率低下且成本高昂。

古普塔表示，团队精心选择了纳米纤维和基质材料，以创建高表面积的支架或桥接作为负载传递通道，通过这种机制，应力在增强纤维和周围基质材料之间传递。 

“我们的工艺使材料能够承受更大的压力，”古普塔解释道。“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%。”

他补充说，利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从汽车到飞机等无数应用领域。“一旦我们了解了所开发产品背后的基础科学和化学原理，我们就有信心我们拥有了有价值的应用技术，”ORNL 的 Christopher Bowland 说道。“开拓新技术和理解基础科学是我们工作的一个方面。然而，应用研究的另一个方面是探索如何将技术转化为实际应用以造福社会。与 ORNL 的技术转让团队合作，我们已经为这项研究申请了专利，有可能将该技术转化为商业合作伙伴。”

Bowland 表示，未来的研究重点是具有兼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。这篇详细介绍 ORNL 领导的这项研究的论文《通过分层形成提高复合材料的韧性》发表在《  Advanced Science》 上，并刊登在该杂志的封面上。 

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成立的复合材料核心计划 2.0 的一部分。该计划由 ORNL 牵头，太平洋西北国家实验室和国家可再生能源实验室参与，旨在通过开发先进材料来提高车辆效率。

ORNL 碳和复合材料小组负责人 AMIt Naskar 表示：“实现该项目目标的一种方法是用碳纤维复合材料取代较重的钢部件，目前碳纤维复合材料具有最佳的减重潜力。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，从而降低质量，提高复合材料结构的成本效益。”

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，以了解基本键合力。该团队还利用纳米相材料科学中心 (CNMS) 的原子力显微镜来表征设计的界面的硬度或刚度。CNMS 是 ORNL 的 DOE 科学办公室用户设施。