超級材料問世比鋼鐵強比鋁輕還能自愈

2025-08-27 | 來源: 大紀元 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

美國德州一所大學研發出一種變革性新材料，其韌性不僅比鋼鐵強韌數倍，還擁有自我修復與回收再利用的特性。這項突破性發展未來有望應用於國防、航天和汽車工業等領域，為高階制造領域發展和應用鋪平新道路。

目前，航太、汽車工業和國防工業雖然使用高強度和耐磨材料，但材料依然會因高溫、濕氣、電磁輻射、化學暴露及機械應力等因素而隨時間降解，導致功能和性能出現下降。因此，開發減緩降解老化、延長使用壽命或擁有自我修復的材料，就成材料學專家的首要目標之一。

為應對此挑戰，美國德州農工大學（Texas A&M University）和美國塔爾薩大學（University of Tulsa）的研究人員，將37%的“芳香族熱固性共聚酯”（ATSP）與63%的碳纖維結合，成功研發出“ATSP碳纖維復合材料”。其韌性是鋼鐵的數倍，重量卻比鋁輕的材料，並能在反復損傷後自行愈合。

這項材料不僅改善了過去碳纖維增強聚合物（CFRP）維護成本高的缺點，同時保持許多傳統塑膠的優點與高度可回收性。該研究成果分別發表在美國化學學會的《大分子》、《復合材料雜志》科學期刊上。

ATSP與傳統塑膠的不同之處在於自己修復和形狀記憶恢復能力。它本身是一種玻璃體聚合物（vitrimers）的新興材料，兼具熱塑性塑料的柔韌性、熱固性塑料的化學結構穩定性。因此科學家選擇讓ATSP與碳纖維結合。

研究人員發現，“ATSP碳纖維復合材料”加熱至約160°C，就能使其出現玻璃化現象並觸發自愈機制，使其內部的分子鏈被激活移動，若再提高一些溫度就能完全激活分子鏈，使其發生交換和愈合機制讓材料實現真正的自愈、重塑與恢復。

為驗證其性能，研究團隊進行了嚴苛的撕裂與再愈合測試。他們先將材料樣本撕裂，再置於280°C的高溫下加熱兩小時。結果顯示，經過兩次完整的損傷修復循環後，材料幾乎完全恢復，其斷裂韌性高達300 J/m²。

然而，“ATSP碳纖維復合材料”在經歷第5輪壓力循環測試中，材料因產生機械疲勞，使得修復效率下降20%，但其化學穩定性和自修復性仍遠優於現有材料。

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圖為含有碳纖維的材料。ATSP碳纖維復合材料，內部擁有有ATSP與碳纖維，整體韌性是鋼鐵的數倍，但重量卻比鋁輕，且能在反復損傷後自行愈合。（shutterstock）

圖為含有碳纖維的材料。ATSP碳纖維復合材料，內部擁有有ATSP與碳纖維，整體韌性是鋼鐵的數倍，但重量卻比鋁輕，且能在反復損傷後自行愈合。（shutterstock）

研究人員透過多種先進儀器，觀察該材料的自我修復性是受到什麼影響的。結果顯示，材料在受損和修復後與原始設計相似，但反復損壞產生一些細小碎片影響了愈合的完美性。這種碎片是局部機械磨損造成，並非材料降解或疲勞造成的。

他們還觀察到“ATSP碳纖維復合材料”，可以在溫度202°C到490°C之內保持穩定不分解，若超過490°C臨界溫度時材料中的部分ATSP會先分解，碳纖維則會出現快速分解的現象。

研究團隊以“皮膚”來比喻“ATSP碳纖維復合材料”。它可以拉伸、愈合，且能夠承受多次壓力與循環加熱後依然可靠。最重要的是它在修復過程中會“記住”原始形狀，甚至變得比最初制造時更加穩固。

他們表示，該材料無需像之前一些材料，需要透過大量的機械和熱處理才能修復。隨著ATSP碳纖維復合材料技術成熟與規模化生產，該復合材料有望重新定義塑膠領域和取代傳統塑膠。將在講求高可靠性、高強度與高耐用性的航太、汽車及國防等行業中開辟出全新的領域。

奈米結構材料實驗室主任兼美國德州農工大學航空航天工程教授穆罕默德‧納拉吉（Mohammad Naraghi）博士對該校新聞室表示，“航空航天應用中，材料經常需承受極端壓力與高溫。一旦零組件損壞，就會擾亂它的正常運作，那麼就需要一種可以進行自我修復的材料來確保運作安全。”