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重大突破!可修复的碳纤维材料为更持久、可持续材料铺平道路

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重大突破!可修复的碳纤维材料为更持久、可持续材料铺平道路

发布日期:2021-11-23 作者:网络 点击:

由于碳纤维复合材料强度高、重量轻,正逐渐取代金属,推动各种产品和应用的发展,从飞机到风力涡轮机再到高尔夫球杆。但有一个问题,一旦损坏或受损,最常用的碳纤维材料几乎不可能修复或回收。

 

在本周发表在Carbon杂志上的一篇论文中,一个包括 UW 机械工程助理教授 Aniruddh Vashisth 在内的研究小组描述了一种新型的碳纤维增强材料,它与传统使用的材料一样坚固、轻便,但可以反复加热修复,扭转任何疲劳损伤,并提供一种方法,在它达到使用寿命时将其分解和回收。

 

开发抗疲劳复合材料是制造业的主要需求,Vashisth 说,在本文中,我们展示了一种材料,可以使用传统热源或射频加热来无限期地逆转和推迟其老化过程。

 

该材料是最近开发的碳纤维增强玻璃体 (vCFRP) 组的一部分。现在通常使用的材料,无论是体育用品还是航空航天,都是碳纤维增强聚合物 (CFRP)。

 

传统的 CFRP 通常分为两类:热固性或热塑性。“固定”品种包含环氧树脂,一种类似胶水的材料,其中将其固定在一起的化学链接会永久硬化。“塑料”版本包含一种较软的胶水,因此可以将其熔化并重新加工,但这成为高强度和刚度的缺点。另一方面,Vitrimers 可以链接、断开和重新链接,在两者之间提供一个中间地带。

 

想象一下,这些材料中的每一种都是一个挤满人的房间,”Vashisth 说。“在热固性房间里,所有人都手牵着手不放手。在热固性房间里,人们握手并四处走动。在玻璃化室里,人们与邻居握手,但他们有能力交换握手并建立新的邻居,以便互连的总数保持不变。这种重新连接是材料得到修复的方式,本文是第一个使用原子级模拟来了解这些化学握手的潜在机制的论文。”


研究小组认为,玻璃质体可能是目前由热固性材料制造的许多产品的可行替代品,因为热固性复合材料已开始堆积在垃圾填埋场中,因此急需这种材料。该团队表示,可修复的 vCFRP 将是向动态材料的重大转变,在生命周期成本、可靠性、安全性和维护方面具有不同的考虑因素。


“这些材料可以将塑料的线性生命周期转化为循环生命周期,这将是朝着可持续性迈出的重要一步,”伦斯勒机械、航空航天和核工程教授 Nikhil Koratkar 说,他是理工学院 (RPI) 和 Vashisth 新论文的合著者之一。


除了Koratkar和Vashisth,研究团队还包括RPI的Mithil Kamble和Catalin Picu教授,以及北京化工大学的杨宏坤和王东教授。

 

 


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