Kolfiberförstärkta polymerkompositstrukturer spelar en allt viktigare roll inom flyg- och rymdindustrin, infrastruktur, energiproduktion, och transport. Än, det elektriska beteendet hos en komposit är utmanande att mäta eller förutsäga på grund av den elektriska ledningsförmågan hos ingående kolfibrer och kompositens komplexa hierarkiska mikrostruktur.

I Journal of Applied Physics , forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign rapporterar den första direkta mätningen av den tvärgående elektriska resistiviteten hos en enda kolfiber. Forskarna kombinerade en exakt provberedning med en teknik som kallas van der Pauw-metoden för att utföra denna utmanande mätning.

"Våra experiment bekräftar att de elektriska egenskaperna mätt tvärs en kolfiber inte är desamma som de egenskaper som mäts längs fiberns längd, säger medförfattaren Nancy Sottos.

När kolfibrer tillverkas, de starka kovalenta kol-kolbindningarna är inriktade i plan parallella med fiberaxeln i längdriktningen. Endast svaga van der Waals-bindningar finns mellan planen i tvärriktningen, leder till riktningsberoende egenskaper.

Forskarna använde en teknik som kallas van der Pauw-metoden för att noggrant mäta resistiviteten i en kolfibers tvärriktning. Resistansmätningarna utfördes på en skiva kolfiber skuren med en fokuserad jonstråle och kopplad till elektroder för elektriska resistansmätningar.

"Våra resultat visar att en IM7 kolfiber är mer elektriskt ledande i riktningen parallell med längden, " sa medförfattaren Satoshi Matsuo.

Tidigare, Van der Pauw-metoden användes främst för att mäta resistiviteten hos tunna filmer eller skivor. Forskarna skar och manipulerade en skiva kolfiber med en fokuserad jonstråle och en nål, ett verktyg som oftare används för att förbereda prover från transmissionselektronmikroskopi.

Forskarna arbetar nu med elektriska kontaktresistansmätningar mellan två kolfibrer. Den elektriska kontaktmotståndet beror på den elektriska resistiviteten och kontaktytan, vilket också varierar beroende på i vilken vinkel de två fibrerna korsar varandra.

Nästa, de planerar att undersöka de tvärgående elektriska resistivitetsmätningarna på olika typer av kolfibrer med varierande mätförhållanden såsom miljötemperaturen.

"Denna procedur kan också tillämpas på andra homogena ledande fibrösa material med en diameter i storleksordningen mikron såsom ledande polymerfiber eller metallfiber, sa Sottos.