平衡复合材料性能的新方法

德克萨斯农工大学工程技术与工业分布系助理教授阿米尔·阿萨迪博士正在复合材料领域取得突破性进展。他的研究探索将由多种材料组成的图案化纳米结构嵌入高性能复合材料中，以在不牺牲任何其他性能的情况下实现所需的多功能性。这可能会带来各个领域的进步，包括电子、能源存储、运输和消费品。

阿萨迪的工作具有重大意义，因为它解决了同时增强复合材料中两种特性(多功能性和结构完整性)的挑战，复合材料由至少两种具有不同特性的材料组成。通过结合图案化纳米结构，他的目标是克服这些特性之间通常观察到的权衡，从而消除在当前制造方法中牺牲一种特性来改进另一种特性的需要。

他解释说：“目前，制造同时最大化功能和结构性能的材料被认为是自相矛盾的。例如，增加导电率通常会降低强度，反之亦然;增加强度通常会降低断裂韧性。”

然而，阿萨迪从自然结构中汲取灵感，例如象鼻，它具有看似不相容的特性和功能。

“具有与当今工程不相容的特性的自然结构已经存在，例如象鼻，它既坚硬又坚固，又灵活而精致，可以处理小蔬菜，同时具有通信和传感功能，所有这些都源于其肌肉发达的静液压结构。”

研究小组使用了一种独特的方法来调节多种纳米材料中材料吸水或排斥水的程度，即两亲性程度。使用这些材料，他们创建并组合了称为环形和圆盘图案的特定图案，这些图案决定了复合材料的最终性能。为此，他们使用精确的二氧化碳 (CO2) 喷雾系统将图案沉积在碳纤维表面。这使得他们能够控制液滴的大小、微观尺度上的图案以及材料的相互作用，最终实现所需的性能。在这项研究中，使用喷雾系统将水滴将纳米材料输送到碳纤维表面。

“我们开发了一种新的喷雾技术，称为超临界二氧化碳辅助雾化，它利用超临界二氧化碳的特性及其在水中的高度溶解度，可以在由水和纳米材料组成的悬浮液中产生几个小液滴，”Dorrin 博士说Jarrahbashi 是该小组期刊文章“通过在高性能复合材料中嵌入图案化纳米结构实现多功能性”的合著者。

阿萨迪说：“与集成具有所需固有特性的材料以增加功能的传统方法不同，这项研究引入了集成纳米图案的概念，并表明同一材料的不同图案将导致宏观复合材料的不同特性。” “如果目标是同时增强功能和结构特性，则可以组合模式并协同增强所有所需的特性。”

阿萨迪的方法有很多好处。它提供了一种实用、可扩展、经济可行的方法来创建具有可调特性的纳米结构材料和组件。