马鹏程等在原位表征纳米复合材料断裂行为研究领域取得进展

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高分子纳米复合材料是由高分子基体和纳米颗粒组成的复合体系，这种新型材料与传统高分子复合材料的最大不同是通过在高分子中添加极少量纳米材料，就可使材料的力学、电学等宏观性能得到显著改善。大量研究表明，上述性能的提升与材料微观结构密切相关，断口形貌学为研究材料的微观结构和宏观性能之间的关系提供了一种间接方法，但该方法很难获得材料在破坏过程中内部裂纹的产生、扩展等信息。
        针对上述问题，中科院新疆理化所分离材料与技术团队以碳纳米管（CNTs）泡沫作为增强项，利用材料对液态有机物优异的吸附性能，通过自浸润方法制备了三维CNT/环氧树脂纳米复合材料。研究发现CNTs泡沫具有优异的结构和热稳定性，可在环氧树脂基体中均匀、稳定分散；三维CNTs泡沫对环氧树脂具有显著的增韧行为：与树脂基体相比，纳米复合材料的断裂韧性和能量释放率分别提高了100%和250%。
        在上述研究基础上，科研人员结合扫描电镜（SEM）原理，研发出一种可在SEM样品仓中原位观察材料断裂行为的装置（图1A，目前只有国外少数公司提供可在SEM样品仓对材料进行原位拉伸的装置，但只能观察材料表面结构破坏情况），研究了高分子纳米复合材料在外界负载条件下材料体相结构（而非表面）中微裂纹的产生、增长和扩展过程，发现纳米复合体系的断裂行为涉及纳米颗粒与基体的桥接，裂纹遇到纳米颗粒时产生的转向、分岔以及不同裂纹之间的融合和消失（图1B），裂纹在基体中的快速增长以及材料整体所表现出来的延性和脆性断裂相结合的破坏方式，上述成果为研究高分子纳米复合材料的断裂行为提供了新的方法和表征手段。

图1. 原位表征纳米复合材料断裂行为研究成果（A：可在SEM样品仓中观察材料断裂行为的装置；B：不同应变-ε-条件下纳米复合材料体相结构中微裂纹的产生、增长和扩展过程）

        相关研究成果近期发表在复合材料专业期刊Composites Science and Technology上，中科院新疆理化所博士研究生马青为第一作者，马鹏程研究员为通讯作者；原位观察材料断裂行为的装置获得中国发明专利，并已经转让至工业界。该项研究工作得到了中科院西部之光、新疆高层次人才引进计划等项目资助。
        文章链接：In-situ characterization on the fracture behavior of three dimensional polymer nanocomposites reinforced by CNT sponge - ScienceDirect
           文章来源：新疆理化所
      马鹏程，男，回族，兰州大学学士、硕士，香港科技大学博士，现任中国科学院新疆理化技术研究所研究员。 曾入选香港特区“输入内地人才计划”并在香港科技大学从事科研工作，2010-2012年得到德国洪堡基金会资助，在德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所工作。2012年回国并在中科院新疆理化所组建高分子复合材料团队，担任中科院创新研究员，同年入选首批国家“##计划--新疆项目”。