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由于碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、重量輕,正逐漸取代金屬,推動各種產(chǎn)品和應(yīng)用的發(fā)展,從飛機(jī)到風(fēng)力渦輪機(jī)再到高爾夫球桿。但有一個問題,一旦損壞或受損,最常用的碳纖維材料幾乎不可能修復(fù)或回收。
在本周發(fā)表在Carbon雜志上的一篇論文中,一個包括 UW 機(jī)械工程助理教授 Aniruddh Vashisth 在內(nèi)的研究小組描述了一種新型的碳纖維增強(qiáng)材料,它與傳統(tǒng)使用的材料一樣堅(jiān)固、輕便,但可以反復(fù)加熱修復(fù),扭轉(zhuǎn)任何疲勞損傷,并提供一種方法,在它達(dá)到使用壽命時將其分解和回收。
開發(fā)抗疲勞復(fù)合材料是制造業(yè)的主要需求,Vashisth 說,在本文中,我們展示了一種材料,可以使用傳統(tǒng)熱源或射頻加熱來無限期地逆轉(zhuǎn)和推遲其老化過程。
該材料是最近開發(fā)的碳纖維增強(qiáng)玻璃體 (vCFRP) 組的一部分。現(xiàn)在通常使用的材料,無論是體育用品還是航空航天,都是碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CFRP)。
傳統(tǒng)的 CFRP 通常分為兩類:熱固性或熱塑性?!肮潭ā逼贩N包含環(huán)氧樹脂,一種類似膠水的材料,其中將其固定在一起的化學(xué)鏈接會永久硬化?!八芰稀卑姹景环N較軟的膠水,因此可以將其熔化并重新加工,但這成為高強(qiáng)度和剛度的缺點(diǎn)。另一方面,Vitrimers 可以鏈接、斷開和重新鏈接,在兩者之間提供一個中間地帶。
想象一下,這些材料中的每一種都是一個擠滿人的房間,”Vashisth 說。“在熱固性房間里,所有人都手牽著手不放手。在熱固性房間里,人們握手并四處走動。在玻璃化室里,人們與鄰居握手,但他們有能力交換握手并建立新的鄰居,以便互連的總數(shù)保持不變。這種重新連接是材料得到修復(fù)的方式,本文是第一個使用原子級模擬來了解這些化學(xué)握手的潛在機(jī)制的論文。”
研究小組認(rèn)為,玻璃質(zhì)體可能是目前由熱固性材料制造的許多產(chǎn)品的可行替代品,因?yàn)闊峁绦詮?fù)合材料已開始堆積在垃圾填埋場中,因此急需這種材料。該團(tuán)隊(duì)表示,可修復(fù)的 vCFRP 將是向動態(tài)材料的重大轉(zhuǎn)變,在生命周期成本、可靠性、安全性和維護(hù)方面具有不同的考慮因素。
“這些材料可以將塑料的線性生命周期轉(zhuǎn)化為循環(huán)生命周期,這將是朝著可持續(xù)性邁出的重要一步,”倫斯勒機(jī)械、航空航天和核工程教授 Nikhil Koratkar 說,他是理工學(xué)院 (RPI) 和 Vashisth 新論文的合著者之一。
除了Koratkar和Vashisth,研究團(tuán)隊(duì)還包括RPI的Mithil Kamble和Catalin Picu教授,以及北京化工大學(xué)的楊宏坤和王東教授。