纳米纤维增强复合材料一直以来就是研究的热点，现实生活中电杆树就是钢筋增强混凝土复合材料（这让我想起去年末的大雪，好多没有增强的电杆树都殉职了），建筑用的预制板也是钢筋增强复合材料，波音公司最近准备推出的787飞机也大范围地采用了新型碳纤维增强聚合物复合材料（但是遗憾的是由于机翼处强度出现疑问至今还没有投付商用）。大家都认为高机械性能的碳纳米管材料必将取代当前流行的碳纤维材料而成为未来一二十年的主导增强添加物，然而这个预想现在似乎越来越看不到尽头，原因在前文已经提到过，就是多尺度下复合材料的有效性问题。

也许我们的思维需要改变一下，碳纳米管材料需要用它的巧劲，而不是希望它能够挑大梁。既然我们现在碳纤维复合材料已经工艺很成熟，那么碳纳米管材料可以做的是如何使碳纤维之间连接起来，这样当遇到剪切应力的时候可以极大增强复合材料内部层间的抵抗力。这种简单的思想在碳毡上已经有实验验证，美国伦斯勒理工学院的P. M. Ajayan教授课题组就试着用单纳米管把碳纤维连接起来，他们在Nature Materials子刊上刊登了这个工作。碳纳米管在这里所起到的作用就如同维可牢尼龙搭扣一般，一头是绒毛一头是小刺，实际情况确实依赖碳纳米管之间的范德华力。我不太喜欢 维可牢尼龙搭扣，在实验室的时候我的毛衣常常会被塑料小刺勾上，毛衣上的图案也因此似乎越来越模糊。

其实这个工作还可以改进，因为碳纳米管是原位生长在碳纤维上面，所以粘附力不会很理想，如果再考虑将不同相邻碳纤维之间的碳纳米管连接起来，复合材料的弹性模量和剪切模量会更加可观！怎么做？等下篇Nature告诉你吧。paper这个想法还可以追溯到2001年的一个美国专利，US Patent 6,265,333，美国Nebraska大学的Yuris Dzenis教授发明。这个专利也描述了这个想法。专利已经free啦，所有人都可以用它来开发新材料。

patent 6,265,333

Yuris Dzenis教授今年一月又在Science上面重点探讨他这个想法，他认为材料中的一些亚结构单元，如气孔、晶界、非均匀相、异质相等等都有可能被增强，这些结构都有其独特的特性从而赋予复合材料丰富多彩的应用潜力。纳米增强相要做的工作就是参与到这些亚结构中去。这是一个非常好的观点，正如前文已经提到过，前人的研究就在于神话碳纳米管，认为它能够独当一面，所以费尽心思提高它在基体中的均匀性和填充体积，到头来发现碳纳米管和基体的界面问题成了一个研究的悖论。如果能够取其长处，让它在亚微米尺度下发挥作用，那么对于复合材料的发展就能起到作用。这大概也就是多尺度复合材料研究的精髓所在。加州大学的Ritchie教授紧接着在Science上面发表给编辑的信，信中倒没有反对Dzenis教授文章中的主要观点，但是强调了另一个材料研究中的主要问题：韧性。Ritchie教授本人也怀疑纳米添加相是否真的能起到增强作用。有时候尺度越大的纤维材料反而能提高材料的韧性。Dzenis教授回信则说，这个尺度的问题实际上还存在着争议，但是人们会自然而然地想到利用碳纳米管这种轻质高强的材料去制造复合材料，人们也没有发现这样做有什么不好。至于韧性的问题则主要集中陶瓷这样的脆性材料中，对于聚合物复合材料问题可能又有不同。Dzenis教授最后还说对于脆性材料来说，强度和韧性也有可能同时得到提高。我觉得两位材料学家讨论问题很有意思，至少从中你可以了解这些处于研究前沿的学者对于材料的理解。

至于陶瓷材料是否也能用这个想法增强一下，当然，这不是不可能的事情，纤维增韧增强陶瓷也不是一天两天的事情了，即便是用碳纳米管来填充也有了几年的历史，最有影响力的一篇文章是2003年发表在Nature Materials上的一篇单壁碳纳米管增韧氧化铝陶瓷的工作，该工作报道氧化铝陶瓷材料的韧性提高了近3倍！。这个工作是我现在所在研究小组的工作，文章的第一作者Zhan GD算是赶上了那波研究好时光。说实在话，那年我看到这篇文章的时候就觉得这个陶瓷复合材料的工艺实在粗糙，就是球磨烘干了事，还不如我在中科院那个研究小组整点湿化学方法什么的。但是这边Prof. Amiya Mukherjee在陶瓷超塑性研究领域是个有头有脸的人物，虽然他是做金属材料超塑性起家的。这篇文章的引用次数很高，应该有200次了吧，这在陶瓷领域是一个不得了的数据。文章发表不久，就有人开始提意见了，这个意见是在follow这个工作以后发现的科学问题：如何测韧性才能真正体现材料的真实性质（）。是这样，ZHAN的工作测量韧性是通过打点法间接推导出来，而WANG等人的工作则比较了复合材料用刻槽法和打点法得到的数据，WANG等发现打点法可能并不能真实反映材料的韧性。ZHAN后来回复到这个数据的差别不应该归因于测试方法，而是两个小组得到的复合材料物理结构不一样，ZHAN所获得的样品显然具有更高的致密度，而WANG的样品则气孔率很大。气孔率大的显然对韧性有很大影响，直接就体现在打点法中裂纹的扩展长度的测量。（Contact-damage-resistant ceramic/single-wall carbon nanotubes and ceramic/graphite composites，Xiaotong Wang, Nitin P. Padture, Hidehiko Tanaka，Nature Materials 3, 539 - 544 (01 Aug 2004)

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这个争论到现在还在继续，在我刚来美国前，AKM组的JIANG博士在SCRIPT MATERIALS上面又发表了一篇关于碳纳米管填充陶瓷的新结果，这位Nitin P. Padture博士又跑过来争论，结果AKM教授不得不又争论一下。我跑过来也是要做这个项目的，我觉得两者谈论的焦点不是一样，但是还属于学科内良性的讨论。一个问题就是碳纳米管到底能不能增强增韧，第二个问题是对于纳米结构材料传统测试方法是否还能适用。这两个问题是我需要关注的，当然第一个问题是第二个问题的基础，我们只有获得了纳米结构的陶瓷材料才能够分析表征测试，如果不关注材料制备本身的科学问题，非要辩解各自的观点都不是科学的讨论态度。

我觉得纳米陶瓷的研究非常有希望有大的突破，这个主要取决于现代陶瓷工艺和化学制备工艺的发展，当你手指即将要戳破这层薄纸的时候你能不感觉到兴奋吗？

 

平衡木（balance beam）：成功的边沿

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