可修复的碳纤维复合材料提供了一条持久、可持续的材料发展之路

 

    包括华盛顿大学机械工程助理教授Aniruddh Vashisth在内的一个研究小组，在最近发表在《Carbon》杂志上的一篇论文中，介绍了一种新型的碳纤维增强材料，它与传统使用的碳纤维一样轻质高强，但不同之处在于，可以通过加热而得到反复的修复以扭转任何疲劳损伤，同时还提供了一种分解它的方法，使用寿命结束时，还可以得到回收利用。

 

    “开发抗疲劳的复合材料是制造业界的主要需求。”Vashisth介绍说，“在此论文中，我们展示了一种可以用传统的热源或射频加热来进行修复并无限延缓其衰退过程的材料。”

 

     该材料是最近发展起来的被称作“碳纤维增强vitrimers（vCFRP）”材料类别中的一部分。无论是在体育用品还是在航空领域，目前使用的材料通常是碳纤维增强聚合物（CFRP）。

Vashisth采用原子尺度的仿真软件来帮助理解vitrimer材料可修复的潜在机制（图片由华盛顿大学/Andy Freeberg提供）

 

 

    传统的CFRPs通常分为两类：热固性的或热塑性的。热固性的包括环氧树脂，这是一种类似胶水的材料，通过化学键粘接在一起，保持永久固化。热塑性的含有一种较软的胶状物，可以重新熔化和加工，但这对于要求高强度、高硬度的应用而言却是一个缺点。而Vitrimers 可以连接、断开以及再连接，从而在热固性与热塑性之间提供了折中的性能。

 

    “想象一下，每一种材料都是一个房间，里面挤满了人。” Vashisth说道，“在热固性的房间里，所有的人都手拉着手而不肯松开；在热塑性的房间里，人们互相握手，四处走动；在vitrimer的房间里，人们和邻居握手，但他们能够互相握手，结交新邻居，这样，互连的总数保持不变。这种重新连接就是修复材料的方法，这篇论文首次利用原子尺度的仿真来帮助理解这些化学握手的潜在机制。”

 

    该研究团队确信，对于目前采用热固性复合材料制成的许多产品而言，vitrimers可能是一种可行的替代方案。该团队表示，可修复的vCFRPs将是向动态材料的重大转变，这些动态材料在生命周期成本、可靠性、安全性和维护性方面都有不同的考量。

 

    “这些材料可以将塑料的线性生命周期转化为循环生命周期，意味着向可持续方向发展迈出了重要的一步。”这篇新论文的合著者之一、伦斯勒理工学院航空航天和核工程系的机械学教授Nikhil Koratkar说道。