北卡罗来纳州立大学开发新技术 解决自愈材料两大问题

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据外媒报道，北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）工程研究人员开发出新的自我修复复合材料，可以让结构在原地修复，而无需停止使用。此外，该最新技术还可解决自愈材料的两个长期挑战，并可以显著延长风力涡轮机叶片和飞机机翼等结构部件的使用寿命。

图片来源：北卡罗来纳州立大学

该研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学土木、建筑和环境工程助理教授Jason Patrick表示：“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热，但这对于大型组件或在使用给定部件时无法做到。其次，自愈只发生在有限的时间内。例如，这种材料可能能够愈合几次，但之后的自我修复特性会显著降低。我们开发出新方法以应对上述挑战，同时保留结构纤维复合材料的强度和其他性能特征。”因此用户可以延长给定结构部件的使用时间，例如风力涡轮机叶片，而不必担心出现故障。

Patrick表示：“这些复合材料延长寿命后更具可持续性。结构复合材料的应用范围很广，包括飞机机翼、卫星、汽车部件和体育用品等。”

以下是新型自修复纤维增强复合材料的工作原理。层压复合材料由纤维增强层制成，例如将玻璃和碳纤维粘合在一起。当将这些层粘合在一起的“胶水”开始从增强材料上剥离或分层时，通常会发生损坏。研究小组通过在增强材料上3D打印热塑性愈合剂图案来解决这个问题。研究人员还在复合材料中嵌入了薄“加热器”层。当施加电流时，加热器层升温，从而熔化愈合剂，而该愈合剂会流入复合材料内的裂缝或微裂缝中并对其进行修复。

Patrick称：“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，但目前还无法确定重复的上限。”

该印刷的热塑性塑料还将固有的抗断裂性提高了500%，因此分层发生会需要更多的能量。此外，愈合剂和加热器层均由容易获得的材料制成，所以相对便宜。Patrick表示：“虽然使用该技术制造复合材料成本较高，但通过显著延长材料的使用寿命可以抵消这一成本。”

新技术的另一个优点是，如果将内部加热元件整合到飞机机翼中，则内部加热元件将允许航空公司在飞机在地面时停止使用化学试剂去除机翼上的冰，可在飞行中除冰。