一、納米縫合概述

近年來，人們對開發納米結構混合（多尺度）復合材料的興趣與日俱增，在這種復合材料中，碳納米管（CNTs）等納米粒子與微米級纖維復合層壓板結合使用。麻省理工學院首次開發出這種增強技術——“納米縫合”。

納米縫合的概念涉及“種植”垂直排列的“碳納米管森林”——碳的中空纖維。每根碳納米管都很小，以至于數百億納米管可以站立在比指甲還小的區域中。為了生長納米管，該團隊使用化學氣相沉積工藝，使碳作為微小的支撐物沉積在表面上。這些支撐物最終會被移除，留下一片密集的“碳卷森林”。

該技術可顯著提高層間剪切強度和低應力下的斷裂韌性，尤其是疲勞壽命，并延遲/抑制次臨界損傷及其對組件的影響。這種熱電加固技術可提高層間剪切強度和斷裂韌性，顯著延長疲勞壽命（尤其是低應力下的疲勞壽命），延遲/抑制層間次臨界損傷，并提高復合材料組件的設計強度（損傷起始強度和極限強度）。此外，VA-CNTs還具有更好的熱電特性，可用于降低制造成本，提高復合材料的多功能性。

圖 納米縫合示意圖

二、 試驗成果

使用J-Integral數據縮減方法的I型、II型和混合型斷裂的測試結果。所有樣本的一個共同點是，CNT增強導致層間裂紋分叉進入層內區域，并作為平行于層間平面的裂紋在層內區域中保持擴展。

圖 I型斷裂測試結果

圖 II型斷裂測試結果

圖 混合型斷裂測試結果

圖 I型、II型和混合型引發斷裂韌性

在層界面中加入排列整齊的碳納米管可增強抗裂性，使裂紋從增強的層間區域持續偏轉到相鄰層的層內區域，即碳納米管將裂紋從層間區域驅趕到層內。碳納米管不會顯著增加層間厚度或層壓板重量，并能保持層內的微纖維形態。I 型和 II 型裂紋起始韌性分別提高了34%和62%。

三、納米縫合技術潛在應用

除了顯著的輕量化效果，納米縫合技術還賦予復合材料更強的耐久性和更長的使用壽命。由于有效防止了層間裂紋的擴散，采用納米縫合技術的飛機結構在面對極端環境、反復應力變化以及意外撞擊時，都能展現出更高的可靠性，大大降低了因材料失效引發的安全風險。此外，這種技術還減少了因老化、疲勞等因素導致的結構退化，有助于延長飛機的服役年限，降低維護成本。

在汽車制造領域，輕量化同樣是提升燃油效率、減少排放的關鍵因素。納米縫合技術有望助力汽車制造商生產出更輕、更堅固的車身及零部件，實現更高的燃油經濟性和更低的環境足跡。同時，強化后的復合材料車身還能提供更好的碰撞保護，提升乘客安全。

無論是風電葉片、橋梁結構還是高層建筑，納米縫合技術都能為復合材料構件提供更高的強度和耐久性，使得設計者能夠大膽創新，實現更加復雜、輕巧且節能的結構方案。此外，這種技術在耐腐蝕、抗紫外線、防火等方面的優勢，也將推動相關行業的材料標準提升。

在體育用品制造業，輕量化與高強度的復合材料日益受到青睞，尤其在自行車、網球拍、滑雪板、高爾夫球桿等高性能裝備中。納米縫合技術的應用，可以使這些器材的復合材料部分更為堅固耐用，同時減輕重量，從而提升運動員的操作靈活性與速度，降低能量損耗。此外，納米縫合增強的復合材料還具有良好的抗沖擊性和耐磨損性，確保器材在激烈運動中的持久性能。

醫療器械與生物醫學植入物對材料的生物相容性、強度、耐疲勞性及穩定性有極高要求。納米縫合技術能夠顯著提升復合材料在這些方面的性能，使之成為制作人工關節、骨折固定裝置、心血管支架等植入物的理想選擇。納米縫合增強的復合材料不僅可以減輕植入物對患者身體的負擔，還能提高植入物的長期穩定性和可靠性，降低并發癥風險。

船舶與海洋平臺在承受極端環境、海水腐蝕及長期振動負載方面面臨嚴峻挑戰。納米縫合技術應用于復合材料船體、浮筒、管道、風力發電機葉片等組件，可顯著提高其抗疲勞、抗腐蝕及抗沖擊性能，降低維護成本，延長使用壽命。此外，輕質的納米縫合復合材料也有助于優化船舶設計，提高航行效率，降低燃油消耗。

在風能、太陽能等可再生能源領域，大型葉片、塔架、電池封裝等關鍵部件對材料的輕量化、高強度及耐候性有較高要求。納米縫合技術能夠提升復合材料在這些部件中的表現，助力實現更高效的能源轉換和傳輸。此外，在電力輸配、石油天然氣輸送等基礎設施中，納米縫合復合材料可用于制作輕型、高強度的輸電塔、管道及儲罐，提高能源系統的可靠性和運行效率。

防護服、防彈裝甲、頭盔等個人防護裝備以及裝甲車輛、防護屏障等軍事裝備，對材料的防護性能和輕量化有極高需求。納米縫合技術可增強復合材料的抗沖擊、抗穿透能力，同時減輕裝備重量，提升穿戴者的機動性和舒適度。在軍民兩用領域，納米縫合復合材料有望推動防護裝備的升級換代，提供更高級別的安全保障。