智能塑料的崛起：引领航空航天与汽车行业的变革

来自 实验室仪器网

研究人员开发了一种超耐用、可回收的智能塑料，可以自我修复和重塑，为航空航天、国防和汽车应用提供巨大潜力。

发表在《大分子》和《复合材料杂志》上，德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领导了这一突破。

该研究调查了一种称为芳香族热固性共聚酯（ATSP）的创新碳纤维塑料复合材料的机械完整性、形状恢复和自愈能力。

真正令人兴奋的是，这种材料不仅超耐用，而且还具有适应性。从受损飞机的按需修复到提高车辆乘客的安全，这些特性使其对未来的材料和设计创新具有难以置信的价值。

ATSP为性能和可靠性至关重要且无法避免故障的公司提供了新的可能性。在航空航天领域，它可以从使用过程中的高温应力损坏中恢复。在汽车应用中，其键交换化学成分可以在碰撞后恢复车辆结构，同时保护乘客。

ATSP属于一类称为玻璃三体的材料，结合了热塑性塑料的柔韧性与热固性塑料的化学和结构稳定性。当用碳纤维增强时，它的强度是钢的几倍，但比铝轻。与传统塑料不同，ATSP可以反复回收而不会失去其化学完整性。

这些玻璃三聚体在用不连续纤维增强时，可以经历水平循环——您可以轻松地将其压碎并模制成新形状，这可以在很多很多次循环中发生，并且材料的化学性质基本上不会降解。

ATSP与典型塑料的不同之处在于它可以自我修复并恢复其形状。

形状恢复和自我修复是同一机制的两个方面。形状恢复是指连续材料内的键交换——一种内置的“智能”。而且，在自我修复中，材料中存在不连续性，就像裂缝一样。

研究人员进行了一种称为循环蠕变测试的独特应力测试来研究这些材料特性。反复拉伸材料，同时测量其如何吸收、存储和释放应变能，确定了两个关键的温度阈值。

第一个是玻璃化转变温度，或聚合物链可以轻松移动的温度，第二个是玻璃化温度。这是这些键被热激活的温度，你可以看到大量的键交换，导致愈合、重塑和恢复。

研究人员接下来进行了深循环弯曲疲劳实验，偶尔将材料加热到大约160°C以启动自愈。

他们的发现表明，ATSP样品不仅能够承受数百次压力和加热循环而没有失败，而且在愈合过程中也变得更加坚固。就像皮肤愈合一样，材料变形、愈合并“记住”其原始形状，变得比其原始形状更耐用。

在另一系列测试中，该团队在280°C下推动ATSP通过五个极端损伤愈合循环。该材料在两次循环后几乎恢复了全部强度，并在第五次循环时保持了约80%的效率，只有制造缺陷造成的轻微磨损。其化学稳定性始终保持不变。

研究团队取得的突破不仅象征着一类新兴材料，还象征着一类新兴材料。它是一个模板，展示了大胆的科学和智能合作如何重新构想塑料变化和适应而不仅仅是生存的未来。

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