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飞机是天空中的庞然大物;一架商业客机的重量是一只加拿大大鹅的6000多倍。然而，在时速500英里时，这些庞然大物并非不受影响，即使是来自看似无害的鹅。这种损伤会导致一系列问题，从气压和海拔的波动。
南加州大学的研究人员已经开发出一种新材料，可以在空气中修复这种撞击损伤，只要它发生。该团队由Stephen Schrank早期职业生涯主席和助理教授王启明领导Sonny Astani土木与环境工程系他创造了三维晶格结构，这种结构以重复细胞为特征，可以从撞击损伤中自动恢复，首先恢复结构的原始形状，然后治愈材料中的致命断裂或断裂。
“传统上，晶格结构虽然重量轻，但容忍度低，这意味着如果受到冲击，它很容易扩散，最终破坏结构。我们创造的材料具有很高的抗损伤能力。”
这种新材料的特点是强度高、刚度大。王说，与传统的自愈材料不同，在发生骨折时，不需要人工干预。“你不需要把断裂的碎片重新推到一起，让材料愈合，”王说。“我们新材料的形状记忆特性意味着，在开始愈合单个连接之前，断裂的碎片将自动对齐到原始形状。”
研究团队包括:南加州大学维特比博士研究生于坤昊、杜海旭、安欣bob国际首页登录、李庆勋、冯正荣;Sonny Astani土木与环境工程系教授Sami F. Masri;教授Daniel J Epstein工业与系统工程系陈勇;以及密苏里大学机械与航空航天工程系教授黄国良。他们的研究发表在《自然》杂志上NPG亚洲材料．
如果一只鸟撞上了一架由自愈材料制成的飞机呢?研究人员演示了这种损伤如何首先纠正形状损伤，然后修复断裂的连接。图像/王启明创投。
自我愈合，形状记忆和光固化
三维晶格结构不容易制造。王说:“现有的方法——一层一层的叠层组装——非常耗时。”然而，王说，为了能够使用3d打印，你受限于特定的材料。这些材料缺乏自主自愈所必需的特性。
为了创造一种具有所有所需特性的新材料，研究人员建立在先前的创新之上:more类似橡胶的自修复材料具有触发自我修复的动态键(二硫键)。当这些键断裂时，热量的作用将它们重新组合在一起，重新形成原来的键。虽然可以自我修复，但这种橡胶状材料太软，无法支撑太多重量。
为了结合满足他们的目标所必需的特性，研究人员添加了结晶结构域-具有高刚性和对热敏感的聚合物。“这种材料像聚四氟乙烯一样坚固。在我们的研究中，我们发现这种材料可以承受自身重量1000倍的重量。”
当研究人员加入晶体结构域时，他们还增加了另一个关键特性:形状记忆，这意味着聚合物记住了结构的原始形状。
为了实现他们的所有目标，研究人员还添加了丙烯酸酯化学基团(通常用于粘合剂)，这使得材料具有光固化性，或者当材料暴露在光线下时发生反应。这种特性对于立体光刻3d打印技术的使用至关重要，通过这种技术，光使液体材料一层一层地固化，形成固体晶格结构。
治愈的两步过程
当冲击损伤发生时，材料通常表现出两种形式的变形:凹痕或形状变化和结构断裂(断裂的粘结)。王说，传统上，使用现有的自愈合材料，骨折是可以愈合的，但需要人工重新排列断裂的碎片——基本上是将物体推回到原来的形状。使用这种新材料，形状恢复和断裂修复都是通过加热自动进行的。
这个过程从影响开始。一旦结构受损，远程加热——在研究中施加80摄氏度(约176华氏度)——开始形状恢复过程。在这种情况下，研究人员制造了一个侧翼，并在上面砸了一个重物。一旦损坏，就施加热量。机翼的原始形状在两分钟内就恢复了。在持续的高温下，断裂的碎片开始重新结合并愈合。六小时后，材料恢复了原来的强度和结构。
在这项研究中，研究人员用相同的结构完成了10个损伤和愈合周期。即使在第10个循环之后，结构仍然保持着与原来相同的机械完整性水平。
飞机，火车和汽车
这些新的晶格结构可以用来加固任何数量的交通工具，从飞机到汽车。“当发生事故时，修复车身上的凹痕和裂缝总是非常麻烦，”王说。“但如果车身是由我们的新晶格结构制成的，这种修复可以自动进行，使车身恢复到原始形状和功能，而不需要额外的成本或过多的修复时间。”
实际上，王认为这种材料与传感器一起工作。如果传感器检测到冲击损伤，就会触发加热器，开始修复过程。其他应用包括防御车辆，如坦克，或防弹背心/装甲。王说，这种材料可以为关键部件提供更长的使用期限和更好的损伤容忍度。
另一个应用是形状记忆和愈合特性本身的直接结果。王说，如果你切割或改变一个结构，将其转变为另一个结构，例如从三角形变成kagome(星形)形状，你可以调整材料，以表现出不同的品质，例如，阻尼与传输特定的振动频率。一旦完成这种使用，加热将使结构恢复到原来的形式。
该研究由空军科学研究办公室青年研究员计划(FA9550-18-1-0192，项目经理:Dr. Ming-Jen Pan)和国家科学基金会(CMMI-1762567)资助。
2020年3月27日发布
最后更新于2021年4月8日
