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美国研究人员开发新方法 将车用复合材料强度提高近60%

盖世汽车 Elisha 2024-04-27 09:40:31
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盖世汽车讯 据外媒报道,美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)的研究人员开发出新方法,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强韧,以便更好地长期承受机械或结构压力。

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(图片来源:橡树岭国家实验室)

复合材料具有诸多优点,比如它们比金属材料更坚固且更轻,具有耐腐蚀和抗疲劳性能,而且可以定制以满足特定的行业性能要求。然而,因为是由两种不同的材料结合在一起制成的——刚性纤维和软基质(或粘合剂),它们很容易受到应变的破坏。两种材料之间的界面会影响复合材料的整体力学性能,因此需要改进。

在这项研究中,该团队沉积像蜘蛛网一样的热塑性纳米纤维,以化学方式创建了一个支持网络,从而使界面变得坚韧。这种技术不同于在纤维表面涂覆聚合物或提供刚性支架以改善纤维与基质之间粘合性的传统方法,后者已被证明效率低下且成本高。

该团队精心选择纳米纤维和基质材料,以创建高表面积支架或桥接作为载荷传递途径,通过这种机制在增强纤维和周围的基质材料之间传递应力。ORNL的Sumit Gupta表示:“这种工艺使材料能够承受更大的应力。采用这种简单、可扩展且低成本的方法,研究人员可以将复合材料的强度提高近60%,韧性提高100%。”

用这种方法制造出来的复合材料有助于改善车辆等日常应用。ORNL的Christopher Bowland表示:“这项研究已申请专利,该技术有可能实现商业化。”未来的研究将集中在具有相容化学基团的不同纤维和基质系统上。研究人员计划对纳米纤维本身进行更多的研究,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车辆技术办公室(VTO-EERE)材料技术项目新设立的复合材料核心计划2.0的一部分。该项目由ORNL牵头,太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)和国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)共同参与,致力于通过开发先进材料来提高车辆效率。

ORNL碳和复合材料小组(Carbon and Composites group)负责人Amit Naskar表示:“实现该项目目标的一个途径是用碳纤维复合材料取代较重的钢组件,这是目前具有最佳减重潜力的材料。在高性能纤维增强复合材料中开发更强劲、更坚韧的界面,可以降低纤维体积分数,有助于减重和改善复合材料结构的成本效益。”

该研究团队利用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)利用原子力显微镜来表征所设计界面的刚度或硬度。CNMS是美国能源部科学办公室位于ORNL的用户设施。

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