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工程研究人员已经开发出一种新的自愈复合材料，可以使结构在适当的位置进行自我修复，而不必从服务中移除。这项最新技术解决了自修复材料的两个长期挑战，并能显著延长风力涡轮机叶片和飞机机翼等结构部件的寿命。
该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·帕特里克说:“研究人员已经开发出各种自修复材料，但以前的自修复复合材料策略面临着两个实际挑战。”
“首先，为了愈合，材料通常需要从服务中移除。例如，有些需要在烤箱中加热，这对于大型部件或给定部件在使用时是无法完成的。其次，自我修复只能在有限的时间内有效。例如，这种材料可能会愈合几次，之后它的自我修复性能会显著下降。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。”
实际上，这意味着用户可以在更长的时间内使用给定的结构部件，比如风力涡轮机叶片，而不用担心故障。
帕特里克说:“通过延长这些复合材料的使用寿命，我们使它们更具可持续性。”“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。”
以下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粘合在一起制成的，例如玻璃和碳纤维。当将这些层粘合在一起的“胶水”开始从加固层上剥落或分层时，最常发生损伤。研究小组通过在增强材料上3D打印热塑性愈合剂的图案来解决这个问题。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，加热器层加热。这反过来又融化了愈合剂，它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，这个过程可以重复至少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将固有的抗断裂能力提高了500%，这意味着它首先需要更多的能量来引起分层。此外，愈合剂和加热器层都是由现成的材料制成的，并且相对便宜。
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，但材料寿命的显著延长将大大抵消成本。”
这项新技术的另一个优点是，如果将其应用到飞机机翼上，内部加热元件将使航空公司在飞机着陆时不再使用化学剂来清除机翼上的冰，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，帮助我们定制这些聚合物基复合材料，以用于特定的应用。”
报纸，”基于热可逆缠结的结构复合材料原位自修复研究，发表在该杂志的开放获取版上自然通讯．这篇论文的第一作者是亚历山大·斯奈德，他是北卡罗来纳州立大学的博士生。该论文由北卡罗来纳州立大学的博士生Zachary Phillips和Jack Turicek共同撰写;以色列理工学院的Charles Diesendruck;以及休斯顿大学的Kalyana Nakshatrala。
这项工作是在美国空军科学研究办公室的支持下完成的，拨款号为FA9550-18-1-0048;以及国防部战略环境研究与发展计划，授权号为W912HQ21C0044。
希普曼-
致编辑:研究摘要如下。
基于热可逆缠结的结构复合材料的原位自修复
作者:亚历山大·d·斯奈德、扎卡里·j·菲利普斯、杰克·s·图里切克、杰森·f·帕特里克，北卡罗莱纳州立大学;Charles E. Diesendruck，以色列理工学院;以及休斯敦大学的Kalyana B. Nakshatrala
发表: 10月31日;自然通讯
DOI: 10.1038 / s41467 - 022 - 33936 - z
文摘:在材料的整个生命周期中，自然过程会不断降低其性能。一种新兴的合成自愈聚合物和复合材料具有保持性能的功能，有望延长使用寿命。但是，由于材料的非均质性和通常交联的聚合物基体成分中的热力学障碍，结构纤维增强复合材料的持续使用修复仍然无法实现。克服机械自我恢复的这些固有挑战对于延长在役操作和实现这种生物启发结构材料的广泛采用至关重要。在这里，我们超越了现有的障碍，并报告了一种能够进行分钟级和延长原位愈合的纤维复合材料——100次循环:比以前的研究高出一个数量级。通过3D打印可修复的热塑性塑料到编织玻璃/碳纤维增强材料上，并与电阻加热器夹层共层，我们通过动态键重关联实现了内部分层的原位热修复。热固性环氧基复合材料的完全断裂恢复发生在玻璃化转变温度以下，从而在修复期间和修复后保持刚度。还揭示了化学驱动改进玻璃复合材料热修复的发现。这种自我修复策略提供的显著寿命延长减轻了昂贵的维护费用，便于维修难以接近的结构(例如风力涡轮机叶片)，并减少了零件更换，从而有利于经济和环境。
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