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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,可以让结构在不被拆除的情况下自行修复,因此设备无需停止使用。


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。



具体来说,这种新的复合材料有什么特别之处呢?它的工作原理是怎么样的?目前,还有哪些出彩的自愈材料?


编织碳纤维增强材料上的 3D 打印热塑性塑料


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表示:“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。


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。打印的热塑性塑料还提高了高达500%的固有抗断裂能力。


研究人员表示:“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,除了风力涡轮机叶片,还有飞机机翼、卫星、汽车部件和体育用品等等。


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。


研究人员表示:“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,目前为止,我们并不知道重复的上限是多少,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。


新技术还有另一个优势。如果将这种内部加热元件集成到飞机机翼中,航空公司就可以在飞机停留在地面时停止使用化学剂来清除机翼上的冰,也可以在飞行中除冰。


研究人员表示:“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。”


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“我们已经证明了这种多功能技术是有效的,”研究人员说,“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。”


还有哪些自愈材料?


1.让手机屏幕自愈的新材料


《科学》杂志刊登的一起学术报告曾讨论了一种全新的类似玻璃的硬质高分子聚合物材料,能够在遭受碎裂的情况下实现完全自愈。


当然,在现有技术条件下,这种聚合物的自愈能力需要在120℃的高温下才能实现。但这未未来智能手机碎屏自我修复,提供了可能。


据悉,该研究由东京大学的Takuzo Aida教授和他的研究团队发表。最早由一名研究生Yu Yanagisawa在无意中发现,起初他认为这种材料可能会成为一种粘合剂,但他可能发现了一种创造手机自愈屏幕的新材料。


事实上,这已经不是第一次科学家们讨论能够替代传统手机屏幕玻璃的自愈材料了。2017年3月份,加州大学河滨分校和科罗拉多大学的化学家发现了一种自愈材料,可拉伸到原来尺寸的50倍。同年8月,摩托罗拉宣布已经申请了屏幕自愈的专利。


2.不起皱的屏幕


苹果的一项名为“具有柔性显示屏覆盖层的电子设备”的新专利被曝光。


根据专利描述,为了减轻显示屏覆盖层中的凹痕、划痕或其缺陷的数量,苹果在显示屏中覆盖了一层可“自愈”的材料,而柔性层中包含有一层弹性材料,可以拉伸也能够恢复到原来的形状,就像某些床垫中的记忆材料。而根据产业链消息,苹果已经推动三星显示、LGD等面板厂商开发混合材质设计的折叠OLED显示面板,以实现这种“不起皱的屏幕”。



3.其他材料盘点


自修复材料并非是近些年来才提出的概念。此前,美国某服饰品牌就推出过能自动修复的衣服材料,其原理非常简单——通过提高线的强度,使插入的铁钉不能将线割断而只是把线拨开。但这样的材料局限性很大,面对锐器等造成的割裂,其修复功能便不能发挥。


此后,科学家将目光投向纺织品的涂层材料。鱿鱼的环齿(SRT)蛋白具有“自愈”性能,在覆盖SRT蛋白涂层的纺织品上滴几滴温水,再把断面重叠、按压60秒左右,断面就会重新连接。


然而,这一材料与理想的自修复材料仍有很大差距。简单来说,一方面,这样的修复方式无法使断裂面通过自修复而弥合;另一方面,提纯后的蛋白材料也不再具有活细胞可编程的特性。


合成生物学的快速发展,使得利用智能生物活体材料实现自修复成为可能。不过,传统的活体材料依靠微生物的生长繁殖实现自修复,这一过程往往耗费数十小时甚至几天的时间,漫长的修复时间极大限制了其应用。


未来的自愈材料必将更加强大!给位看官,你们还知道哪些自愈材料?对这个行业有什么看法?欢迎留言评论!




来源:塑连网,图麟科技,中国科学报,

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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