新型自愈復(fù)合材料可自我修復(fù)逾千次 有望讓汽車(chē)和飛機(jī)告別報(bào)廢

美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)和休斯敦大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)近日宣布，他們研發(fā)出一種全新的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，能夠在遭受結(jié)構(gòu)損傷后反復(fù)自我修復(fù)超過(guò)1，000次，同時(shí)其初始強(qiáng)度還明顯高于目前用于制造飛機(jī)機(jī)翼、風(fēng)力渦輪葉片等關(guān)鍵部件的傳統(tǒng)復(fù)合材料，被研究人員形容為多種關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域的“游戲規(guī)則改變者”。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一材料有望顯著延長(zhǎng)汽車(chē)、飛機(jī)、航天器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵裝備的使用壽命。

這一突破針對(duì)的是復(fù)合材料中常見(jiàn)的“分層失效”問(wèn)題——在服役過(guò)程中，纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間推移逐漸發(fā)生分離，從而導(dǎo)致開(kāi)裂甚至斷裂。 新材料在外觀上與傳統(tǒng)FRP相似，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更為堅(jiān)韌，可以更有效地抑制分層、裂紋擴(kuò)展和整體結(jié)構(gòu)破壞。

據(jù)介紹，研究人員采用三維打印技術(shù)，在復(fù)合材料各層之間嵌入了一層具有特定圖案的熱塑性“自愈劑”中間層，從而實(shí)現(xiàn)顯著增強(qiáng)的抗分層能力。 這一中間層由聚（乙烯-共-甲基丙烯酸）（EMAA）制成，使材料對(duì)分層損傷的抵抗力比普通FRP提高了約2至4倍，大幅減少了裂紋產(chǎn)生和結(jié)構(gòu)損傷。

除了自愈劑中間層，材料內(nèi)部還集成了碳基加熱層，這一設(shè)計(jì)被視為另一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新。 當(dāng)外部施加電流時(shí)，這些加熱層會(huì)升溫并熔融EMAA中間層，使其流入微小裂縫，重新填充并“焊接”受損界面，完成所謂“熱修復(fù)”（thermal remending）過(guò)程，其機(jī)理源于聚合物鏈的重新纏結(jié)與重構(gòu)。

為了驗(yàn)證這種新型材料的自愈能力，研究人員通過(guò)施加拉伸載荷來(lái)模擬實(shí)際服役環(huán)境，并在試樣中人為制造長(zhǎng)度約兩英寸的分層缺陷。 隨后，團(tuán)隊(duì)多次激活自愈過(guò)程，并在長(zhǎng)達(dá)40天的時(shí)間里反復(fù)循環(huán)這一加載—損傷—修復(fù)測(cè)試，總計(jì)進(jìn)行了1，000次循環(huán)，以評(píng)估材料在反復(fù)損傷與修復(fù)條件下的結(jié)構(gòu)完整性保持情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該材料在多輪損傷—自愈循環(huán)后仍能有效修復(fù)內(nèi)部損傷，并保持較高韌性，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)退化。 研究團(tuán)隊(duì)據(jù)此判斷，如果在航空航天、可再生能源和汽車(chē)等行業(yè)大規(guī)模采用這一材料，關(guān)鍵部件的服役壽命有望從目前通常的幾十年延長(zhǎng)到數(shù)百年。

論文第一作者杰克·圖里切克（Jack Turicek）表示，與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，這種新材料從一開(kāi)始就更為堅(jiān)固，在至少500個(gè)損傷—修復(fù)循環(huán)中都能更好地承受結(jié)構(gòu)損傷。 雖然材料的韌性會(huì)隨著修復(fù)次數(shù)的增加而逐漸下降，但這一衰減過(guò)程非常緩慢，理論上可使相關(guān)部件的可用壽命延長(zhǎng)至約500年，而傳統(tǒng)FRP復(fù)合材料的典型壽命大多只有15至40年。

研究人員指出，該材料若能走向工程應(yīng)用，將有助于通過(guò)延長(zhǎng)關(guān)鍵部件壽命、減少更換頻率來(lái)降低運(yùn)維成本，并由于減少制造與更換需求而降低能耗與工業(yè)固廢排放，對(duì)工業(yè)廢棄物管理和環(huán)境保護(hù)都有積極意義。 不過(guò)他們也強(qiáng)調(diào)，目前的試驗(yàn)仍主要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，材料還需要在真實(shí)工況下接受長(zhǎng)期考驗(yàn)，才能真正被視為成熟可靠的工程解決方案。