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新型復(fù)合材料，解決自愈材料兩大難題

2022-11-22 14:29:47 作者：材料PLUS 來(lái)源：材料PLUS 分享至：

據(jù)外媒報(bào)道，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)（North Carolina State University）工程研究人員開(kāi)發(fā)出新的自我修復(fù)復(fù)合材料，可以讓結(jié)構(gòu)在不被拆除的情況下自行修復(fù)，因此設(shè)備無(wú)需停止使用。

編織碳纖維增強(qiáng)材料上的 3D 打印熱塑性塑料

此外，該最新技術(shù)還可解決自愈材料的兩個(gè)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，并可以顯著延長(zhǎng)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和飛機(jī)機(jī)翼等結(jié)構(gòu)部件的使用壽命。

該研究論文的通訊作者、北卡羅來(lái)納州立大學(xué)土木、建筑和環(huán)境工程助理教授表示：“研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種自愈合材料，但之前的自愈合復(fù)合材料策略面臨著兩個(gè)實(shí)際挑戰(zhàn)。”

首先自愈材料通常需要停止使用才能愈合。例如，有些材料需要在烤箱中加熱，但這對(duì)于大型組件或在使用給定部件時(shí)無(wú)法做到。

其次，自愈只發(fā)生在有限的時(shí)間內(nèi)。例如，這種材料可能能夠愈合幾次，但之后的自我修復(fù)特性會(huì)顯著降低。

我們開(kāi)發(fā)出新方法以應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，同時(shí)保留結(jié)構(gòu)纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度和其他性能特征。

在實(shí)際操作中，這意味著用戶可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)依賴一個(gè)給定的結(jié)構(gòu)部件，如風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，而不必?fù)?dān)心故障。打印的熱塑性塑料還提高了高達(dá)500%的固有抗斷裂能力。

研究人員表示：“這些復(fù)合材料延長(zhǎng)壽命后更具可持續(xù)性。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用范圍很廣，除了風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，還有飛機(jī)機(jī)翼、衛(wèi)星、汽車部件和體育用品等等。

新型自修復(fù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工作原理

層壓復(fù)合材料由纖維增強(qiáng)層制成，例如將玻璃和碳纖維粘合在一起。當(dāng)將這些層粘合在一起的“膠水”開(kāi)始從增強(qiáng)材料上剝離或分層時(shí)，通常會(huì)發(fā)生損壞。

研究小組通過(guò)在增強(qiáng)材料上3D打印熱塑性愈合劑圖案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。研究人員還在復(fù)合材料中嵌入了薄“加熱器”層。當(dāng)施加電流時(shí)，加熱器層升溫，從而熔化愈合劑，而該愈合劑會(huì)流入復(fù)合材料內(nèi)的裂縫或微裂縫中并對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

研究人員表示：“我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程可以重復(fù)至少100次，同時(shí)保持自我修復(fù)的有效性，目前為止，我們并不知道重復(fù)的上限是多少，如果有的話。”

打印的熱塑性塑料還提高了高達(dá)500%的固有抗斷裂能力，這意味著它首先需要更多的能量來(lái)引起分層。此外，愈合劑和加熱層都是由現(xiàn)成的材料制成的，而且相對(duì)便宜。

新技術(shù)還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。如果將這種內(nèi)部加熱元件集成到飛機(jī)機(jī)翼中，航空公司就可以在飛機(jī)停留在地面時(shí)停止使用化學(xué)劑來(lái)清除機(jī)翼上的冰，也可以在飛行中除冰。

研究人員表示：“雖然使用該技術(shù)制造復(fù)合材料成本較高，但通過(guò)顯著延長(zhǎng)材料的使用壽命可以抵消這一成本。”

“我們已經(jīng)證明了這種多功能技術(shù)是有效的，”研究人員說(shuō)，“我們現(xiàn)在正在尋找政府和行業(yè)合作伙伴，幫助我們定制這些基于聚合物的復(fù)合材料，以用于特定的應(yīng)用。”

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