碳纤维智能塑料：自修复、变形、比钢更坚固

　　ATSP在五个不同的损伤修复周期内的X射线图像。在第一个周期中，扫描显示ATSP完全修复并恢复了形状和强度。到第五个周期时，开始出现机械疲劳，但耐久性和化学稳定性并未受到影响。

得克萨斯农工大学航空航天工程和材料科学研究人员发现了一种超耐用、可回收的智能塑料的全新特性，为国防、航空航天和汽车工业的变革性应用铺平了道路。这项研究发表在《大分子》和《复合材料杂志》上，由得克萨斯农工大学纳米结构材料实验室主任兼航空航天工程教授穆罕默德·纳拉吉领导。他们的研究探索了一种名为芳香族热固性共聚酯（ATSP）的先进碳纤维塑料复合材料的机械完整性、形状恢复性和自修复特性。按需修复损伤ATSP在强调性能、可靠性和不容许故障的应用行业开辟了新的领域。

纳拉吉解释道：“在航空航天应用中，材料面临着极大的压力和高温，如果这些新材料中的任何一个损坏了飞机的部件，并扰乱了其主要应用，那么就可以进行按需自修复。”随着ATSP的成熟和规模化，它有可能改变商业和消费行业，尤其是汽车行业。“由于材料中发生的键交换，可以在碰撞后恢复汽车的变形，最重要的是，通过保护乘客，显著提高车辆安全性。”纳拉吉说道。ATSP也是传统塑料可持续的替代品。它的可回收性使其成为那些致力于在不影响耐用性或强度的情况下减少环境浪费的行业的理想选择。

这些玻璃聚合物，当用不连续纤维增强时，可以进行水平循环——你可以轻松地将其压碎并塑造成新的形状，而且这种情况可以发生很多次循环，而材料的化学性质基本上不会降解。揭秘ATSP的潜力据纳拉吉介绍，ATSP是一种新兴的玻璃化聚合材料，它融合了传统塑料的诸多优点，它们兼具热塑性塑料的柔韧性和热固性塑料的化学和结构稳定性。因此，当与高强度碳纤维结合时，就能得到一种强度比钢高数倍、重量却比铝轻的材料。

ATSP与传统塑料的不同之处在于其自修复和形状恢复能力。“形状恢复和自修复是同一机制的两个方面，形状恢复指的是连续材料内部的键交换——一种内置的‘智能’。而自修复是指材料内部存在不连续性，例如裂纹。这些正是我们研究的特性。”纳拉吉解释道。为了研究其特性，研究人员采用了一种名为循环蠕变测试的新型应力测试方法。研究人员对样品施加了反复的拉伸载荷循环，监测材料积累、储存和释放应变能的变化。通过循环载荷，研究人员确定了材料中的两个临界温度。

第一个是玻璃化转变温度，即聚合物链可以轻松移动的温度；第二个是玻璃化温度。在这个温度下，这些键被热激活到足以观察到大量的键交换，从而引发自修复、重塑和恢复。随后，该团队进行了深循环弯曲疲劳测试，定期将材料加热到160℃左右以触发自修复。研究结果表明，ATSP样品不仅能够承受数百次应力和加热循环而不会失效，而且在自修复过程中，它们的耐用性实际上得到了提升。

纳拉吉说：“就像皮肤可以伸展、愈合并恢复到原来的形状一样，这种材料可以变形、愈合并‘记住’其原始形状，变得比最初制造时更加耐用。”破裂、修复、重复纳拉吉和他的团队对耐热ATSP进行了五次严酷的应力循环，每次循环后都暴露在280℃的高温下。他们的目标是评估材料的性能和自修复特性。经过两次完整的损伤—修复循环后，材料几乎恢复了完全强度。到第五次循环时，由于机械疲劳，修复效率下降到约80%。“通过高分辨率成像，我们观察到复合材料在损伤和修复后与原始设计相似，尽管反复损伤会导致一些局部机械磨损，这归因于制造缺陷。”纳拉吉说道。

尽管如此，该材料的化学稳定性和自修复行为在所有五次循环中仍然保持可靠。研究人员还观察到材料没有出现热降解或断裂，这表明即使在损伤和修复后，它仍然具有耐久性。该研究团队的成果不仅代表了一类新兴材料，还预示塑料不仅能够持久存在，还能不断进化和适应。