由于碳纤维复合材料具有强度高、重量轻特性，因而它正逐渐取代金属，在从飞机、风力涡轮机到高尔夫球杆等各种产品获得广泛应用。但碳纤维复合材料存在明显的缺陷，一旦碳纤维复合材料受到损坏，它几乎无法修复或回收。
11月2日发表在Carbon杂志上的一篇论文中（Reversing fatigue in carbon-fiber reinforced vitrimer composites，DOI: 10.1016/j.carbon.2021.10.078），研究人员设计开发了一种新型碳纤维增强材料，这种材料与传统材料一样坚固、轻盈，但可以反复加热愈合，从而实现疲劳损伤的逆转。这也提供了一种在它达到使用寿命时将其分解和回收的方法。
“开发耐疲劳复合材料是制造业的一项主要需求，”华盛顿大学机械工程助理教授Aniruddh Vashisth说。“在本项研究中，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。”
这种材料是最近发展起来的一种称为碳纤维增强“玻璃”材料的一部分，这种材料以拉丁语“玻璃”（Vitrimers）一词命名，具有固体和流体的混合特性。无论是在体育用品还是航空航天领域，目前通常使用的材料都是碳纤维增强聚合物。
使用分子动力学模拟玻璃体愈合
传统的碳纤维增强聚合物通常分为两类：热固性或热塑性。热固性聚合物系列最常用的是环氧树脂，它是一种类似胶水的材料，将其固定在一起化学链会永久硬化。热塑性聚合物则包含一种较软的胶水，因此可以将其熔化并重新加工，但这无法实现高强度和高刚度。而玻璃态材料可以链接、断开和重新链接，在两者之间提供一个中间地带。
Vashisth介绍：“想象一下，每一种材料都是一个挤满人的房间。在热固性房间里，所有的人都手拉手，不肯放手。在热塑性房间里，人们握手并四处走动。而在玻璃房里，人们与邻居握手，但他们有能力交换握手和建立新的邻居，从而使互连的总数保持不变。这种重新连接是材料修复的方式，本研究是第一个使用原子尺度模拟来理解这些化学握手潜在机制的研究。”
该研究小组认为，玻璃化聚合物可能是目前许多热固性塑料制品的可行替代品，而且这种替代很迫切，因为热固性复合材料已经开始堆积在垃圾填埋场中。该团队表示，可愈合玻璃化材料将是向动态材料的重大转变，在寿命周期成本、可靠性、安全性和维护方面有不同的考虑。
碳纤维增强玻璃体实现疲劳载荷下逆转
“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，这将是迈向可持续发展的一大步，”论文共同作者，伦斯勒理工学院机械、航空航天和核工程教授Nikhil Koratkar说。
该研究团队还包括伦斯勒理工学院的 Mithil Kamble 和 Catalin Picu和北京化工大学的Hongkun Yang 和 Dong Wang。这项研究得到美国陆军和国家航空航天局NASA、垂直升降研究中心卓越计划、美国国家科学基金会等资助支持。
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