可修復的碳纖維復合材料提供了一條持久、可持續的材料發展之路

 

    包括華盛頓大學機械工程助理教授Aniruddh Vashisth在內的一個研究小組，在最近發表在《Carbon》雜志上的一篇論文中，介紹了一種新型的碳纖維增強材料，它與傳統使用的碳纖維一樣輕質高強，但不同之處在于，可以通過加熱而得到反復的修復以扭轉任何疲勞損傷，同時還提供了一種分解它的方法，使用壽命結束時，還可以得到回收利用。

 

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

 

     該材料是最近發展起來的被稱作“碳纖維增強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域，目前使用的材料通常是碳纖維增強聚合物（CFRP）。

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

 

 

    傳統的CFRPs通常分為兩類：熱固性的或熱塑性的。熱固性的包括環氧樹脂，這是一種類似膠水的材料，通過化學鍵粘接在一起，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，但這對于要求高強度、高硬度的應用而言卻是一個缺點。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；在vitrimer的房間里，人們和鄰居握手，但他們能夠互相握手，結交新鄰居，這樣，互連的總數保持不變。這種重新連接就是修復材料的方法，這篇論文首次利用原子尺度的仿真來幫助理解這些化學握手的潛在機制。”

 

    該研究團隊確信，對于目前采用熱固性復合材料制成的許多產品而言，vitrimers可能是一種可行的替代方案。該團隊表示，可修復的vCFRPs將是向動態材料的重大轉變，這些動態材料在生命周期成本、可靠性、安全性和維護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化為循環生命周期，意味著向可持續方向發展邁出了重要的一步。”這篇新論文的合著者之一、倫斯勒理工學院航空航天和核工程系的機械學教授Nikhil Koratkar說道。