中英科学家成功研发新型低温自愈材料 可用于飞机及卫星

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英国伯明翰大学和中国哈尔滨工业大学为主的研究人员发现了一种新方法,它可以使飞机和卫星上的常用材料,在温度低于冰点时,裂缝自然愈合。

这篇论文发表在英国皇家学会的Open Science上,其首次表明,自愈合材料可以被控制并在非常低的温度下使用(-60°C)。

该小组由伯明翰(英国)大学和哈尔滨工业大学(中国)牵头,表明这种材料可以被应用于纤维增强材料。它可应用于材料维修或更换很难的情况下——如海上风力涡轮机,甚至“不可能的”的情况下——如飞行中的飞机和卫星。

在需要维修时,自愈复合材料能够自动恢复它们的性能。在有利条件下,复合材料已经展现了令人印象深刻的愈合效率。确实,以前的研究努力已达到愈合效率100%以上的程度,表明愈合材料的功能或性能可以优于损坏前。

然而,直到此论文发表,在不利条件下的愈合都被认为是不足的,例如在非常低的温度下。这种新结构复合材料保持其核心温度,就像自然界的一些动物靠保持恒定的体温以保持酶的活性。以递送和释放愈合剂为目的的三维中空容器与提供内部加热和解冻的多孔导电元件一起,被嵌入在复合材料中。

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伯明翰大学的博士生Yongjing Wang,解释说,“这两个部分都是必不可少的。如果没有加热元件,液体将在-60℃冷冻而且化学反应不能被触发。如果没有中空容器,愈合液体不能自动输送到裂缝。”玻璃纤维增强的层压制品在-60℃的温度下能达到超过100%的愈合效率,这项技术可以应用在大多数自修复复合材料上。

测试使用铜泡沫片或碳纳米管作为导电层。后者能够更有效地自我修复,其断裂能量的平均回收率达107.7%,峰值负载达96.22%。可愈合的纤维增强复合材料,或基体材料,因此将有更高的层间性质 ——即层之间的结合能力。这些特性越高,裂缝将来就越不可能发生。

王先生补充道,“纤维增强复合材料很受欢迎是因为他们适合飞机或卫星,既坚固又轻巧。但内部微裂纹的风险可能导致灾难性的失败。这些裂缝不仅难以检测,而且难以修复,因此,需要材料的自我修复能力。”

该集团将寻找通过对加热元件峰值负载使用更先进的加热层,来消除负面影响。然而,他们的最终目标是为复合材料开发更多新的愈合机制,以期在任何条件下,无论故障大小,都可以有效地修复。

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