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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
太陽系系主任
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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 科技日報訊（記者劉霞）美國北卡羅來納州立大學科學家研發(fā)出一種新型自愈復(fù)合材料，可實現(xiàn)上千次自我修復(fù)，預(yù)計能使飛機機翼、風力渦輪葉片和航天器結(jié)構(gòu)部件的壽命延長至數(shù)百年，遠超現(xiàn)有材料幾十年的設(shè)計周期。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《美國國家科學院院刊》。 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。圖片來源：美國北卡羅來納州立大學 目前廣泛使用的纖維增強聚合物（FRP）復(fù)合材料，因其輕質(zhì)高強特性，被廣泛應(yīng)用于飛機、汽車、風力發(fā)電機和航天器中。但這類材料長期面臨“層間分層”難題，即內(nèi)部裂紋導(dǎo)致纖維層與樹脂基體分離，嚴重影響結(jié)構(gòu)完整性。自20世紀30年代以來，這一問題始終制約著復(fù)合材料的耐久性，傳統(tǒng)FRP設(shè)計壽命通常僅為15年至40年。 新研發(fā)的自愈材料在傳統(tǒng)FRP基礎(chǔ)上進行了兩項關(guān)鍵創(chuàng)新：一是在纖維層間通過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，自動修復(fù)損傷，恢復(fù)原有性能。 為驗證新材料的長期穩(wěn)定性，團隊構(gòu)建了自動化測試系統(tǒng)，在40天內(nèi)對材料連續(xù)實施1000次“破壞—修復(fù)”循環(huán)。每次實驗均人為制造50毫米長的分層裂紋，隨后觸發(fā)加熱自愈機制，并檢測修復(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)的新紀錄。 團隊表示，在實際應(yīng)用中，材料僅在遭遇冰雹、鳥撞等突發(fā)損傷或定期維護時才啟動修復(fù)程序。據(jù)此推算，此類部件理論上可持續(xù)使用達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，減少廢棄部件帶來的環(huán)境污染，對難以返修的航天器具有革命性意義。 |
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