MIT首创纳米缝合技术：层间抗裂性能提升

一、纳米缝合概述

近年来，人们对开发纳米结构混合（多尺度）复合材料的兴趣与日俱增，在这种复合材料中，碳纳米管（CNTs）等纳米粒子与微米级纤维复合层压板结合使用。麻省理工学院首次开发出这种增强技术——“纳米缝合”。

纳米缝合的概念涉及“种植”垂直排列的“碳纳米管森林”——碳的中空纤维。每根碳纳米管都很小，以至于数百亿纳米管可以站立在比指甲还小的区域中。为了生长纳米管，该团队使用化学气相沉积工艺，使碳作为微小的支撑物沉积在表面上。这些支撑物最终会被移除，留下一片密集的“碳卷森林”。

该技术可显著提高层间剪切强度和低应力下的断裂韧性，尤其是疲劳寿命，并延迟/抑制次临界损伤及其对组件的影响。这种热电加固技术可提高层间剪切强度和断裂韧性，显著延长疲劳寿命（尤其是低应力下的疲劳寿命），延迟/抑制层间次临界损伤，并提高复合材料组件的设计强度（损伤起始强度和极限强度）。此外，VA-CNTs还具有更好的热电特性，可用于降低制造成本，提高复合材料的多功能性。

图 纳米缝合示意图

二、 试验成果

使用J-Integral数据缩减方法的I型、II型和混合型断裂的测试结果。所有样本的一个共同点是，CNT增强导致层间裂纹分叉进入层内区域，并作为平行于层间平面的裂纹在层内区域中保持扩展。

图 I型断裂测试结果

图 II型断裂测试结果

图 混合型断裂测试结果

图 I型、II型和混合型引发断裂韧性

在层界面中加入排列整齐的碳纳米管可增强抗裂性，使裂纹从增强的层间区域持续偏转到相邻层的层内区域，即碳纳米管将裂纹从层间区域驱赶到层内。碳纳米管不会显著增加层间厚度或层压板重量，并能保持层内的微纤维形态。I 型和 II 型裂纹起始韧性分别提高了34%和62%。

三、纳米缝合技术潜在应用

除了显著的轻量化效果，纳米缝合技术还赋予复合材料更强的耐久性和更长的使用寿命。由于有效防止了层间裂纹的扩散，采用纳米缝合技术的飞机结构在面对极端环境、反复应力变化以及意外撞击时，都能展现出更高的可靠性，大大降低了因材料失效引发的安全风险。此外，这种技术还减少了因老化、疲劳等因素导致的结构退化，有助于延长飞机的服役年限，降低维护成本。

在汽车制造领域，轻量化同样是提升燃油效率、减少排放的关键因素。纳米缝合技术有望助力汽车制造商生产出更轻、更坚固的车身及零部件，实现更高的燃油经济性和更低的环境足迹。同时，强化后的复合材料车身还能提供更好的碰撞保护，提升乘客安全。

无论是风电叶片、桥梁结构还是高层建筑，纳米缝合技术都能为复合材料构件提供更高的强度和耐久性，使得设计者能够大胆创新，实现更加复杂、轻巧且节能的结构方案。此外，这种技术在耐腐蚀、抗紫外线、防火等方面的优势，也将推动相关行业的材料标准提升。

在体育用品制造业，轻量化与高强度的复合材料日益受到青睐，尤其在自行车、网球拍、滑雪板、高尔夫球杆等高性能装备中。纳米缝合技术的应用，可以使这些器材的复合材料部分更为坚固耐用，同时减轻重量，从而提升运动员的操作灵活性与速度，降低能量损耗。此外，纳米缝合增强的复合材料还具有良好的抗冲击性和耐磨损性，确保器材在激烈运动中的持久性能。

医疗器械与生物医学植入物对材料的生物相容性、强度、耐疲劳性及稳定性有极高要求。纳米缝合技术能够显著提升复合材料在这些方面的性能，使之成为制作人工关节、骨折固定装置、心血管支架等植入物的理想选择。纳米缝合增强的复合材料不仅可以减轻植入物对患者身体的负担，还能提高植入物的长期稳定性和可靠性，降低并发症风险。

船舶与海洋平台在承受极端环境、海水腐蚀及长期振动负载方面面临严峻挑战。纳米缝合技术应用于复合材料船体、浮筒、管道、风力发电机叶片等组件，可显著提高其抗疲劳、抗腐蚀及抗冲击性能，降低维护成本，延长使用寿命。此外，轻质的纳米缝合复合材料也有助于优化船舶设计，提高航行效率，降低燃油消耗。

在风能、太阳能等可再生能源领域，大型叶片、塔架、电池封装等关键部件对材料的轻量化、高强度及耐候性有较高要求。纳米缝合技术能够提升复合材料在这些部件中的表现，助力实现更高效的能源转换和传输。此外，在电力输配、石油天然气输送等基础设施中，纳米缝合复合材料可用于制作轻型、高强度的输电塔、管道及储罐，提高能源系统的可靠性和运行效率。

防护服、防弹装甲、头盔等个人防护装备以及装甲车辆、防护屏障等军事装备，对材料的防护性能和轻量化有极高需求。纳米缝合技术可增强复合材料的抗冲击、抗穿透能力，同时减轻装备重量，提升穿戴者的机动性和舒适度。在军民两用领域，纳米缝合复合材料有望推动防护装备的升级换代，提供更高级别的安全保障。