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yexuqing木蟲(chóng)之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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能自我修復(fù)上千次的復(fù)合材料面世 有望將航空航天構(gòu)件壽命延至數(shù)百年
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能自我修復(fù)上千次的復(fù)合材料面世 有望將航空航天構(gòu)件壽命延至數(shù)百年 科技日?qǐng)?bào)訊（記者劉霞）美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)科學(xué)家研發(fā)出一種新型自愈復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)上千次自我修復(fù)，預(yù)計(jì)能使飛機(jī)機(jī)翼、風(fēng)力渦輪葉片和航天器結(jié)構(gòu)部件的壽命延長(zhǎng)至數(shù)百年，遠(yuǎn)超現(xiàn)有材料幾十年的設(shè)計(jì)周期。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。 自愈復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖——顯示纖維層、3D打印愈合劑夾層與嵌入式加熱層。圖片來(lái)源：美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué) 目前廣泛使用的纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)合材料，因其輕質(zhì)高強(qiáng)特性，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和航天器中。但這類材料長(zhǎng)期面臨“層間分層”難題，即內(nèi)部裂紋導(dǎo)致纖維層與樹(shù)脂基體分離，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)完整性。自20世紀(jì)30年代以來(lái)，這一問(wèn)題始終制約著復(fù)合材料的耐久性，傳統(tǒng)FRP設(shè)計(jì)壽命通常僅為15年至40年。 新研發(fā)的自愈材料在傳統(tǒng)FRP基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新：一是在纖維層間通過(guò)3D打印技術(shù)嵌入熱塑性愈合劑，使材料抗分層能力提升2至4倍；二是集成超薄碳基加熱層，通電后可迅速升溫，促使愈合劑熔化并流入裂縫，自動(dòng)修復(fù)損傷，恢復(fù)原有性能。 為驗(yàn)證新材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，在40天內(nèi)對(duì)材料連續(xù)實(shí)施1000次“破壞—修復(fù)”循環(huán)。每次實(shí)驗(yàn)均人為制造50毫米長(zhǎng)的分層裂紋，隨后觸發(fā)加熱自愈機(jī)制，并檢測(cè)修復(fù)后的承載能力。結(jié)果顯示，該材料在經(jīng)歷千次循環(huán)后仍保持優(yōu)異性能，抗斷裂能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)復(fù)合材料，且韌性衰減極為緩慢，創(chuàng)下自愈次數(shù)的新紀(jì)錄。 團(tuán)隊(duì)表示，在實(shí)際應(yīng)用中，材料僅在遭遇冰雹、鳥(niǎo)撞等突發(fā)損傷或定期維護(hù)時(shí)才啟動(dòng)修復(fù)程序。據(jù)此推算，此類部件理論上可持續(xù)使用達(dá)125年以上，甚至在500年內(nèi)僅需修復(fù)4次即可維持功能穩(wěn)定。 這項(xiàng)技術(shù)將大幅降低工業(yè)設(shè)備的維修成本與能源消耗，減少?gòu)U棄部件帶來(lái)的環(huán)境污染，對(duì)難以返修的航天器具有革命性意義。 |
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