新技术解决了长期以来自愈合材料面临的挑战

　　

   

   

该图片显示了在碳纤维增强材料上3D打印的热塑性塑料。该结构是一种新的自修复复合材料，它允许结构在原地自我修复，而不必从服务中移除。这项技术解决了自愈合材料长期以来面临的两个挑战，并可以显著延长结构部件的寿命，如风力涡轮机叶片和飞机机翼。    

工程研究人员已经开发出一种新的自修复复合材料，它可以使结构在不需要被拆除的情况下自行修复。这项最新技术解决了自愈合材料长期以来面临的两个挑战，并可以显著延长结构部件的寿命，如风力涡轮机叶片和飞机机翼。

研究论文的通讯作者、北卡罗莱纳州立大学土木、建筑和环境工程助理教授杰森·帕特里克(Jason Patrick)说:“研究人员已经开发了各种自愈合材料，但之前的自愈合复合材料策略面临着两个实际挑战。”
 
“首先，为了治疗，这些材料通常需要从服务中移除。例如，有些需要在烤箱中加热，但对于大型部件或特定部件在使用时不能这样做。第二，自我治愈只在有限的时间内有效。例如，这种材料可能可以愈合几次，之后它的自我修复性能将显著下降。我们已经提出了一种方法，以一种有意义的方式解决这两个挑战，同时保留结构纤维复合材料的强度和其他性能特征。”
 
在实际操作中，这意味着用户可以在很长一段时间内依赖一个给定的结构部件，如风力涡轮机叶片，而不必担心故障。
 
“通过延长这些复合材料的寿命，我们使它们更加可持续，”帕特里克说。“虽然风力涡轮机叶片是一个很好的例子，但结构复合材料的应用范围很广:飞机机翼、卫星、汽车零部件、体育用品，应有尽有。”
 
下面是这种新型自愈纤维增强复合材料的工作原理。
 
层压复合材料是由纤维增强层(如玻璃和碳纤维)粘合在一起制成的。当粘合这些层的“胶水”开始从加固层剥落或分层时，最常发生损伤。研究小组通过3D打印热塑性愈合剂的图案在加固材料上解决了这个问题。研究人员还在复合材料中嵌入了薄的“加热器”层。当施加电流时，加热器层升温。这反过来熔化了愈合剂，愈合剂流入复合材料中的任何裂缝或微裂缝，并修复它们。
 
帕特里克说:“我们发现，这个过程至少可以重复100次，同时保持自我修复的有效性。我们不知道上限是多少，如果有的话。”
 
打印的热塑性塑料还提高了高达500%的固有抗断裂能力，这意味着它首先需要更多的能量来引起分层。此外，愈合剂和加热层都是由现成的材料制成的，而且相对便宜。
 
帕特里克说:“虽然制造结合我们设计的复合材料会稍微贵一点，但显著延长材料的寿命将大大抵消成本。”
 
这项新技术的另一个优点是，如果将内部加热元件安装到飞机机翼上，航空公司就可以在飞机着陆时停止使用化学剂清除机翼上的冰，也可以在飞行中除冰。
 
“我们已经证明了这种多功能技术是有效的，”帕特里克说。“我们现在正在寻找政府和行业合作伙伴，帮助我们定制这些基于聚合物的复合材料，以用于特定的应用。”

Prolonged in situ Self-healing in Structural Composites via Thermo-Reversible Entanglement