美國(guó)能源部下屬的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）近期取得突破性進(jìn)展，研發(fā)出一種利用碳納米纖維增強(qiáng)碳纖維及其他纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料結(jié)合力的創(chuàng)新技術(shù)。這項(xiàng)成果有望顯著提升汽車、飛機(jī)等對(duì)輕量化與高強(qiáng)度有嚴(yán)苛要求的領(lǐng)域所使用的結(jié)構(gòu)材料性能。相關(guān)研究已發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》期刊，為美國(guó)制造商在能源和國(guó)家安全領(lǐng)域更廣泛地應(yīng)用碳纖維提供了新機(jī)遇。

長(zhǎng)期以來(lái)，碳纖維與周圍聚合物基體之間的粘附力不足一直是行業(yè)痛點(diǎn)。盡管業(yè)界曾嘗試通過(guò)纖維表面紋理化或注入化學(xué)藥劑等方式改善界面結(jié)合，但效果有限。ORNL項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Sumit Gupta指出，他們發(fā)現(xiàn)采用碳納米纖維構(gòu)建化學(xué)與機(jī)械雙重結(jié)合層的混合技術(shù)，能取得卓越成效。碳纖維復(fù)合材料如同混凝土中的鋼筋，由純碳絲嵌入聚合物基體構(gòu)成，雖比鋼更輕更強(qiáng)，但基體與纖維結(jié)合不牢會(huì)削弱整體性能。

ORNL的這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)精心設(shè)計(jì)的納米纖維，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械與化學(xué)結(jié)合的雙重優(yōu)化，使材料拉伸強(qiáng)度提升50%，韌性（即耐用性）接近翻倍。研究人員Chris Bowland表示，團(tuán)隊(duì)在2023年開發(fā)該工藝后，近期正致力于優(yōu)化參數(shù)并深入理解其物理機(jī)制。通過(guò)控制多個(gè)變量，他們能夠制造出顯著增強(qiáng)復(fù)合材料性能的納米纖維，且該技術(shù)同樣適用于其他類型的復(fù)合材料。

該技術(shù)的核心在于一種名為“靜電紡絲”的創(chuàng)新工藝。研究人員將聚丙烯腈（PAN）前驅(qū)體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下擠出，形成寬度約200納米的極細(xì)纖維，其粗細(xì)僅為人類頭發(fā)的百分之一。這些纖維被沉積在覆蓋有碳纖維織物的旋轉(zhuǎn)金屬鼓上。通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度、滾筒轉(zhuǎn)速等參數(shù)，研究人員能創(chuàng)造出既與基體化學(xué)鍵合、又與其他碳纖維機(jī)械鍵合的“橋梁”，并控制化學(xué)鍵類型及纖維取向。

目前，研究團(tuán)隊(duì)已就該技術(shù)申請(qǐng)專利，并計(jì)劃尋找工業(yè)合作伙伴進(jìn)行授權(quán)，旨在提升商業(yè)碳纖維復(fù)合材料的競(jìng)爭(zhēng)力。鑒于成本是限制碳纖維大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：通過(guò)增強(qiáng)粘附力，制造商可減少材料用量，甚至利用原本可能被廢棄的短切碳纖維（不連續(xù)纖維），從而顯著降低生產(chǎn)成本。此外，該技術(shù)有望將碳纖維應(yīng)用拓展至民用基礎(chǔ)設(shè)施及國(guó)防安全等新興領(lǐng)域。

為確保技術(shù)的深度與靈活性，團(tuán)隊(duì)利用ORNL納米相材料科學(xué)中心及前沿超級(jí)計(jì)算機(jī)等設(shè)施，在亞微米尺度上觀測(cè)了纖維與基體的相互作用，并通過(guò)X射線散射、核磁共振成像及超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬，全面解析了纖維形成與結(jié)合的微觀機(jī)制。Gupta強(qiáng)調(diào)，正是依托ORNL跨領(lǐng)域的專家資源與計(jì)算能力，團(tuán)隊(duì)才能深入理解并優(yōu)化該技術(shù)，使其更易于工業(yè)界在多種場(chǎng)景中應(yīng)用。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)完善靜電紡絲工藝，并探索將其與自感知復(fù)合材料技術(shù)結(jié)合，即通過(guò)嵌入半導(dǎo)體或壓電材料微粒，使復(fù)合材料具備監(jiān)測(cè)自身健康狀態(tài)的能力。對(duì)于中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)而言，這一通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)“降本增效”的路徑極具參考價(jià)值，提示我們?cè)谧非蟾咝阅艿耐瑫r(shí)，應(yīng)更加關(guān)注材料界面工程與短纖維的高值化利用，以應(yīng)對(duì)全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。