盖世汽车讯 据外媒报道，西班牙马德里先进材料研究所（IMDEA Materials Institute）的研究人员开发出一种多功能凯夫拉（Kevlar）基复合材料，能够将结构性能与集成应变传感、电磁干扰（EMI）屏蔽和除冰功能相结合。

图片来源：西班牙马德里先进材料研究所

研发历程

这项研究发表于期刊《Composites Part B: Engineering》，展示了如何利用可扩展的制造工艺，在凯夫拉纤维织物上直接生成激光诱导石墨烯（LIG），并将其集成到先进的复合材料层压板中。

传统的纤维增强聚合物复合材料具有高强度重量比，因此被广泛应用于航空航天、交通运输和能源等领域。然而，这些材料通常仅提供结构功能。

要想集成实时监测、电磁防护或热管理等附加功能，通常需要外部设备或额外组件，这会增加复杂性和重量。

为了克服这些限制，研究团队开发出一种策略，利用激光光热转换技术在凯夫拉纤维织物表面直接生成LIG。

然后，研究人员利用真空灌注工艺，将改性凯夫拉层集成到玄武岩纤维/生物基环氧树脂层压板中。真空灌注制造工艺适用于工业规模化生产。这将有助于该材料在电动出行、风力涡轮机等领域的应用。

LIG层解锁新功能

该研究还表明，改性表面可以融入复合材料中，而不损害复合材料的结构完整性。

激光处理的凯夫拉层同时实现了多种先进功能，包括原位应变传感，该功能使复合材料能够通过压阻响应监测形变，其应变系数接近1.0。

此外，该材料还具有焦耳加热（Joule heating）和除冰功能，在低电压下即可达到50°C以上的温度，并在五分钟内成功去除-40°C的冰层。这拓展了其潜在应用场景，例如用作更安全的电动汽车电池外壳，将健康监测、热管理和电磁屏蔽功能集成到单个组件中。

工业化面临的挑战

尽管研究成果令人鼓舞，但在该技术实现工业化之前，仍有不少挑战需要克服。其中包括树脂灌注工艺的局限性（尤其是精确的厚度控制方面），以及开发更精确的理论模型的能力不足。

此外，在高循环机械疲劳条件下，外部施加的电接触点的机电稳定性仍然是一个挑战。焦耳加热涉及反复的热循环，这可能导致环氧树脂基体内部出现局部热降解现象。

该研究的作者表示：“未来的研究将着重于优化LIG的形貌，并开发结构嵌入式坚固电极，以缓解这些与结构和循环相关的挑战。”