工程研究人员开发了一种新的自我修复复合材料，可以让结构在原地修复，而无需停止使用。这项最新技术解决了自愈材料的两个长期挑战，并可以显着延长风力涡轮机叶片和飞机机翼等结构部件的使用寿命。
“研究人员已经开发了多种自愈材料，但以前的自愈复合材料策略面临两个实际挑战，”该研究论文的通讯作者、北方大学土木、建筑和环境工程助理教授JasonPatrick说卡罗来纳州立大学。
“首先，这些材料通常需要停止使用才能愈合。例如，有些材料需要在烤箱中加热，而对于大型组件或在使用给定部件时，这是无法做到的。”
“第二，自我修复只能在有限的时间内发挥作用。例如，这种材料可能能够修复几次，之后它的自我修复性能会显着降低。我们想出了一种方法来解决这两个问题以有意义的方式应对这些挑战，同时保留结构纤维复合材料的强度和其他性能特征。”
实际上，这意味着用户可以在更长的时间内依赖给定的结构部件，例如风力涡轮机叶片，而不必担心出现故障。
“通过延长这些复合材料的寿命，我们使它们更具可持续性，”帕特里克说。“虽然风力涡轮机叶片是一个很好的例子，但结构复合材料的应用范围很广：飞机机翼、卫星、汽车部件、体育用品，应有尽有。”
以下是新型自修复纤维增强复合材料的工作原理。
层压复合材料由粘合在一起的纤维增强层制成，例如玻璃和碳纤维。当将这些层粘合在一起的“胶水”开始从增强材料上剥离或分层时，最常发生损坏。
研究小组通过在增强材料上3D打印热塑性愈合剂图案来解决这个问题。研究人员还在复合材料中嵌入了薄的“加热器”层。当施加电流时，加热器层升温。反过来，这会熔化愈合剂，该愈合剂会流入复合材料内的任何裂缝或微裂缝中并对其进行修复。
“我们发现这个过程可以重复至少100次，同时保持自我修复的有效性，”帕特里克说。“我们不知道上限是多少，如果有的话。”
印刷的热塑性塑料还将固有的抗断裂性提高了500%，这意味着它首先需要更多的能量来引起分层。此外，愈合剂和加热器层均由容易获得的材料制成，并且相对便宜。
“虽然制造包含我们设计的复合材料会稍微贵一点，但通过显着延长材料的使用寿命可以抵消成本，”帕特里克说。
新技术的另一个优点是，如果将内部加热元件整合到飞机机翼中，则内部加热元件将允许航空公司在飞机在地面时停止使用化学试剂去除机翼上的冰，并在飞行中除冰。
“我们已经证明这种多功能技术是有效的，”帕特里克说。“我们现在正在寻找政府和行业合作伙伴来帮助我们定制这些基于聚合物的复合材料，以用于特定应用。”