包括華盛頓大學(xué)機(jī)械工程助理教授Aniruddh Vashisth在內(nèi)的一個(gè)研究小組，在最近發(fā)表在《Carbon》雜志上的一篇論文中，介紹了一種新型的碳纖維增強(qiáng)材料，它與傳統(tǒng)使用的碳纖維一樣輕質(zhì)高強(qiáng)，但不同之處在于，可以通過加熱而得到反復(fù)的修復(fù)以扭轉(zhuǎn)任何疲勞損傷，同時(shí)還提供了一種分解它的方法，使用壽命結(jié)束時(shí)，還可以得到回收利用。

 

    “開發(fā)抗疲勞的復(fù)合材料是制造業(yè)界的主要需求。”Vashisth介紹說，“在此論文中，我們展示了一種可以用傳統(tǒng)的熱源或射頻加熱來進(jìn)行修復(fù)并無限延緩其衰退過程的材料。”

 

     該材料是最近發(fā)展起來的被稱作“碳纖維增強(qiáng)vitrimers（vCFRP）”材料類別中的一部分。無論是在體育用品還是在航空領(lǐng)域，目前使用的材料通常是碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）。

Vashisth采用原子尺度的仿真軟件來幫助理解vitrimer材料可修復(fù)的潛在機(jī)制（圖片由華盛頓大學(xué)/Andy Freeberg提供）

 

 

    傳統(tǒng)的CFRPs通常分為兩類：熱固性的或熱塑性的。熱固性的包括環(huán)氧樹脂，這是一種類似膠水的材料，通過化學(xué)鍵粘接在一起，保持永久固化。熱塑性的含有一種較軟的膠狀物，可以重新熔化和加工，但這對(duì)于要求高強(qiáng)度、高硬度的應(yīng)用而言卻是一個(gè)缺點(diǎn)。而Vitrimers 可以連接、斷開以及再連接，從而在熱固性與熱塑性之間提供了折中的性能。

 

    “想象一下，每一種材料都是一個(gè)房間，里面擠滿了人。” Vashisth說道，“在熱固性的房間里，所有的人都手拉著手而不肯松開；在熱塑性的房間里，人們互相握手，四處走動(dòng)；在vitrimer的房間里，人們和鄰居握手，但他們能夠互相握手，結(jié)交新鄰居，這樣，互連的總數(shù)保持不變。這種重新連接就是修復(fù)材料的方法，這篇論文首次利用原子尺度的仿真來幫助理解這些化學(xué)握手的潛在機(jī)制。”

 

    該研究團(tuán)隊(duì)確信，對(duì)于目前采用熱固性復(fù)合材料制成的許多產(chǎn)品而言，vitrimers可能是一種可行的替代方案。該團(tuán)隊(duì)表示，可修復(fù)的vCFRPs將是向動(dòng)態(tài)材料的重大轉(zhuǎn)變，這些動(dòng)態(tài)材料在生命周期成本、可靠性、安全性和維護(hù)性方面都有不同的考量。

 

    “這些材料可以將塑料的線性生命周期轉(zhuǎn)化為循環(huán)生命周期，意味著向可持續(xù)方向發(fā)展邁出了重要的一步。”這篇新論文的合著者之一、倫斯勒理工學(xué)院航空航天和核工程系的機(jī)械學(xué)教授Nikhil Koratkar說道。