超级材料问世 比钢铁强比铝轻 还能自愈
美国德州一所大学研发出一种变革性新材料，其韧性不仅比钢铁强韧数倍，还拥有自我修复与回收再利用的特性。这项突破性发展未来有望应用于国防、航天和汽车工业等领域，为高阶制造领域发展和应用铺平新道路。
目前，航太、汽车工业和国防工业虽然使用高强度和耐磨材料，但材料依然会因高温、湿气、电磁辐射、化学暴露及机械应力等因素而随时间降解，导致功能和性能出现下降。因此，开发减缓降解老化、延长使用寿命或拥有自我修复的材料，就成材料学专家的首要目标之一。
为应对此挑战，美国德州农工大学（Texas A&M University）和美国塔尔萨大学（University of Tulsa）的研究人员，将37%的“芳香族热固性共聚酯”（ATSP）与63%的碳纤维结合，成功研发出“ATSP碳纤维复合材料”。其韧性是钢铁的数倍，重量却比铝轻的材料，并能在反复损伤后自行愈合。
ATSP与传统塑胶的不同之处在于自己修复和形状记忆恢复能力。它本身是一种玻璃体聚合物（vitrimers）的新兴材料，兼具热塑性塑料的柔韧性、热固性塑料的化学结构稳定性。因此科学家选择让ATSP与碳纤维结合。
研究人员发现，“ATSP碳纤维复合材料”加热至约160°C，就能使其出现玻璃化现象并触发自愈机制，使其内部的分子链被激活移动，若再提高一些温度就能完全激活分子链，使其发生交换和愈合机制让材料实现真正的自愈、重塑与恢复。
为验证其性能，研究团队进行了严苛的撕裂与再愈合测试。他们先将材料样本撕裂，再置于280°C的高温下加热两小时。结果显示，经过两次完整的损伤修复循环后，材料几乎完全恢复，其断裂韧性高达300 J/m²。
然而，“ATSP碳纤维复合材料”在经历第5轮压力循环测试中，材料因产生机械疲劳，使得修复效率下降20%，但其化学稳定性和自修复性仍远优于现有材料。
图为含有碳纤维的材料。ATSP碳纤维复合材料，内部拥有有ATSP与碳纤维，整体韧性是钢铁的数倍，但重量却比铝轻，且能在反复损伤后自行愈合。（shutterstock）
图为含有碳纤维的材料。ATSP碳纤维复合材料，内部拥有有ATSP与碳纤维，整体韧性是钢铁的数倍，但重量却比铝轻，且能在反复损伤后自行愈合。（shutterstock）
研究人员透过多种先进仪器，观察该材料的自我修复性是受到什么影响的。结果显示，材料在受损和修复后与原始设计相似，但反复损坏产生一些细小碎片影响了愈合的完美性。这种碎片是局部机械磨损造成，并非材料降解或疲劳造成的。
他们还观察到“ATSP碳纤维复合材料”，可以在温度202°C到490°C之内保持稳定不分解，若超过490°C临界温度时材料中的部分ATSP会先分解，碳纤维则会出现快速分解的现象。
研究团队以“皮肤”来比喻“ATSP碳纤维复合材料”。它可以拉伸、愈合，且能够承受多次压力与循环加热后依然可靠。最重要的是它在修复过程中会“记住”原始形状，甚至变得比最初制造时更加稳固。
他们表示，该材料无需像之前一些材料，需要透过大量的机械和热处理才能修复。随着ATSP碳纤维复合材料技术成熟与规模化生产，该复合材料有望重新定义塑胶领域和取代传统塑胶。将在讲求高可靠性、高强度与高耐用性的航太、汽车及国防等行业中开辟出全新的领域。
奈米结构材料实验室主任兼美国德州农工大学航空航天工程教授穆罕默德‧纳拉吉（Mohammad Naraghi）博士对该校新闻室表示，“航空航天应用中，材料经常需承受极端压力与高温。一旦零组件损坏，就会扰乱它的正常运作，那么就需要一种可以进行自我修复的材料来确保运作安全。”
图为含碳的黑色塑料颗粒。ATSP碳纤维复合材料，不仅拥有传统塑料的优点，且韧性要比钢铁强韧数倍，还拥有自我修复与回收再利用的特性。（shutterstock）
纳拉吉也点出了在汽车工业的潜力。他说，“由于该材料中的化学键发生交换，让它可以在碰撞后恢复汽车的变形。这将显着提升车辆与乘客的安全性。”
他进一步说明，“ATSP碳纤维复合材料中，ATSP玻璃体不仅在整个不连续碳纤维中起到增强作用，还能在被压碎后被塑造成新的形状，从而起到重复自修复与循环再利用的目标。另外，该材料独特的化学性质使其不容易降解。”
该研究获得空军科学研究办公室（AFOSR）赞助（奖励编号 FA9550-22-1-0496），与土耳其科学技术研究理事会（TUBITAK）支持，并承诺推动美国国防和工业优先事项。
图为含有碳纤维的材料。ATSP碳纤维复合材料，内部拥有有ATSP与碳纤维，整体韧性是钢铁的数倍，但重量却比铝轻，且能在反复损伤后自行愈合。（shutterstock）