ATSP在五個(gè)不同的損傷修復(fù)周期內(nèi)的X射線圖像。在第一個(gè)周期中，掃描顯示ATSP完全修復(fù)并恢復(fù)了形狀和強(qiáng)度。到第五個(gè)周期時(shí)，開始出現(xiàn)機(jī)械疲勞，但耐久性和化學(xué)穩(wěn)定性并未受到影響。

得克薩斯農(nóng)工大學(xué)航空航天工程和材料科學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)了一種超耐用、可回收的智能塑料的全新特性，為國防、航空航天和汽車工業(yè)的變革性應(yīng)用鋪平了道路。這項(xiàng)研究發(fā)表在《大分子》和《復(fù)合材料雜志》上，由得克薩斯農(nóng)工大學(xué)納米結(jié)構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)室主任兼航空航天工程教授穆罕默德·納拉吉領(lǐng)導(dǎo)。他們的研究探索了一種名為芳香族熱固性共聚酯（ATSP）的先進(jìn)碳纖維塑料復(fù)合材料的機(jī)械完整性、形狀恢復(fù)性和自修復(fù)特性。按需修復(fù)損傷ATSP在強(qiáng)調(diào)性能、可靠性和不容許故障的應(yīng)用行業(yè)開辟了新的領(lǐng)域。

納拉吉解釋道：“在航空航天應(yīng)用中，材料面臨著極大的壓力和高溫，如果這些新材料中的任何一個(gè)損壞了飛機(jī)的部件，并擾亂了其主要應(yīng)用，那么就可以進(jìn)行按需自修復(fù)。”隨著ATSP的成熟和規(guī)模化，它有可能改變商業(yè)和消費(fèi)行業(yè)，尤其是汽車行業(yè)。“由于材料中發(fā)生的鍵交換，可以在碰撞后恢復(fù)汽車的變形，最重要的是，通過保護(hù)乘客，顯著提高車輛安全性。”納拉吉說道。ATSP也是傳統(tǒng)塑料可持續(xù)的替代品。它的可回收性使其成為那些致力于在不影響耐用性或強(qiáng)度的情況下減少環(huán)境浪費(fèi)的行業(yè)的理想選擇。

這些玻璃聚合物，當(dāng)用不連續(xù)纖維增強(qiáng)時(shí)，可以進(jìn)行水平循環(huán)——你可以輕松地將其壓碎并塑造成新的形狀，而且這種情況可以發(fā)生很多次循環(huán)，而材料的化學(xué)性質(zhì)基本上不會(huì)降解。揭秘ATSP的潛力據(jù)納拉吉介紹，ATSP是一種新興的玻璃化聚合材料，它融合了傳統(tǒng)塑料的諸多優(yōu)點(diǎn)，它們兼具熱塑性塑料的柔韌性和熱固性塑料的化學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，當(dāng)與高強(qiáng)度碳纖維結(jié)合時(shí)，就能得到一種強(qiáng)度比鋼高數(shù)倍、重量卻比鋁輕的材料。

ATSP與傳統(tǒng)塑料的不同之處在于其自修復(fù)和形狀恢復(fù)能力。“形狀恢復(fù)和自修復(fù)是同一機(jī)制的兩個(gè)方面，形狀恢復(fù)指的是連續(xù)材料內(nèi)部的鍵交換——一種內(nèi)置的‘智能’。而自修復(fù)是指材料內(nèi)部存在不連續(xù)性，例如裂紋。這些正是我們研究的特性。”納拉吉解釋道。為了研究其特性，研究人員采用了一種名為循環(huán)蠕變測試的新型應(yīng)力測試方法。研究人員對(duì)樣品施加了反復(fù)的拉伸載荷循環(huán)，監(jiān)測材料積累、儲(chǔ)存和釋放應(yīng)變能的變化。通過循環(huán)載荷，研究人員確定了材料中的兩個(gè)臨界溫度。

第一個(gè)是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，即聚合物鏈可以輕松移動(dòng)的溫度；第二個(gè)是玻璃化溫度。在這個(gè)溫度下，這些鍵被熱激活到足以觀察到大量的鍵交換，從而引發(fā)自修復(fù)、重塑和恢復(fù)。隨后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深循環(huán)彎曲疲勞測試，定期將材料加熱到160℃左右以觸發(fā)自修復(fù)。研究結(jié)果表明，ATSP樣品不僅能夠承受數(shù)百次應(yīng)力和加熱循環(huán)而不會(huì)失效，而且在自修復(fù)過程中，它們的耐用性實(shí)際上得到了提升。

納拉吉說：“就像皮膚可以伸展、愈合并恢復(fù)到原來的形狀一樣，這種材料可以變形、愈合并‘記住’其原始形狀，變得比最初制造時(shí)更加耐用。”破裂、修復(fù)、重復(fù)納拉吉和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)耐熱ATSP進(jìn)行了五次嚴(yán)酷的應(yīng)力循環(huán)，每次循環(huán)后都暴露在280℃的高溫下。他們的目標(biāo)是評(píng)估材料的性能和自修復(fù)特性。經(jīng)過兩次完整的損傷—修復(fù)循環(huán)后，材料幾乎恢復(fù)了完全強(qiáng)度。到第五次循環(huán)時(shí)，由于機(jī)械疲勞，修復(fù)效率下降到約80%。“通過高分辨率成像，我們觀察到復(fù)合材料在損傷和修復(fù)后與原始設(shè)計(jì)相似，盡管反復(fù)損傷會(huì)導(dǎo)致一些局部機(jī)械磨損，這歸因于制造缺陷。”納拉吉說道。

盡管如此，該材料的化學(xué)穩(wěn)定性和自修復(fù)行為在所有五次循環(huán)中仍然保持可靠。研究人員還觀察到材料沒有出現(xiàn)熱降解或斷裂，這表明即使在損傷和修復(fù)后，它仍然具有耐久性。該研究團(tuán)隊(duì)的成果不僅代表了一類新興材料，還預(yù)示塑料不僅能夠持久存在，還能不斷進(jìn)化和適應(yīng)。