ATSP在五個不同的損傷修復周期內(nèi)的X射線圖像。在第一個周期中，掃描顯示ATSP完全修復并恢復了形狀和強度。到第五個周期時，開始出現(xiàn)機械疲勞，但耐久性和化學穩(wěn)定性并未受到影響。

得克薩斯農(nóng)工大學航空航天工程和材料科學研究人員發(fā)現(xiàn)了一種超耐用、可回收的智能塑料的全新特性，為國防、航空航天和汽車工業(yè)的變革性應用鋪平了道路。這項研究發(fā)表在《大分子》和《復合材料雜志》上，由得克薩斯農(nóng)工大學納米結(jié)構(gòu)材料實驗室主任兼航空航天工程教授穆罕默德·納拉吉領導。他們的研究探索了一種名為芳香族熱固性共聚酯（ATSP）的先進碳纖維塑料復合材料的機械完整性、形狀恢復性和自修復特性。按需修復損傷ATSP在強調(diào)性能、可靠性和不容許故障的應用行業(yè)開辟了新的領域。

納拉吉解釋道：“在航空航天應用中，材料面臨著極大的壓力和高溫，如果這些新材料中的任何一個損壞了飛機的部件，并擾亂了其主要應用，那么就可以進行按需自修復。”隨著ATSP的成熟和規(guī)模化，它有可能改變商業(yè)和消費行業(yè)，尤其是汽車行業(yè)。“由于材料中發(fā)生的鍵交換，可以在碰撞后恢復汽車的變形，最重要的是，通過保護乘客，顯著提高車輛安全性。”納拉吉說道。ATSP也是傳統(tǒng)塑料可持續(xù)的替代品。它的可回收性使其成為那些致力于在不影響耐用性或強度的情況下減少環(huán)境浪費的行業(yè)的理想選擇。

這些玻璃聚合物，當用不連續(xù)纖維增強時，可以進行水平循環(huán)——你可以輕松地將其壓碎并塑造成新的形狀，而且這種情況可以發(fā)生很多次循環(huán)，而材料的化學性質(zhì)基本上不會降解。揭秘ATSP的潛力據(jù)納拉吉介紹，ATSP是一種新興的玻璃化聚合材料，它融合了傳統(tǒng)塑料的諸多優(yōu)點，它們兼具熱塑性塑料的柔韌性和熱固性塑料的化學和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，當與高強度碳纖維結(jié)合時，就能得到一種強度比鋼高數(shù)倍、重量卻比鋁輕的材料。

ATSP與傳統(tǒng)塑料的不同之處在于其自修復和形狀恢復能力。“形狀恢復和自修復是同一機制的兩個方面，形狀恢復指的是連續(xù)材料內(nèi)部的鍵交換——一種內(nèi)置的‘智能’。而自修復是指材料內(nèi)部存在不連續(xù)性，例如裂紋。這些正是我們研究的特性。”納拉吉解釋道。為了研究其特性，研究人員采用了一種名為循環(huán)蠕變測試的新型應力測試方法。研究人員對樣品施加了反復的拉伸載荷循環(huán)，監(jiān)測材料積累、儲存和釋放應變能的變化。通過循環(huán)載荷，研究人員確定了材料中的兩個臨界溫度。

第一個是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，即聚合物鏈可以輕松移動的溫度；第二個是玻璃化溫度。在這個溫度下，這些鍵被熱激活到足以觀察到大量的鍵交換，從而引發(fā)自修復、重塑和恢復。隨后，該團隊進行了深循環(huán)彎曲疲勞測試，定期將材料加熱到160℃左右以觸發(fā)自修復。研究結(jié)果表明，ATSP樣品不僅能夠承受數(shù)百次應力和加熱循環(huán)而不會失效，而且在自修復過程中，它們的耐用性實際上得到了提升。

納拉吉說：“就像皮膚可以伸展、愈合并恢復到原來的形狀一樣，這種材料可以變形、愈合并‘記住’其原始形狀，變得比最初制造時更加耐用。”破裂、修復、重復納拉吉和他的團隊對耐熱ATSP進行了五次嚴酷的應力循環(huán)，每次循環(huán)后都暴露在280℃的高溫下。他們的目標是評估材料的性能和自修復特性。經(jīng)過兩次完整的損傷—修復循環(huán)后，材料幾乎恢復了完全強度。到第五次循環(huán)時，由于機械疲勞，修復效率下降到約80%。“通過高分辨率成像，我們觀察到復合材料在損傷和修復后與原始設計相似，盡管反復損傷會導致一些局部機械磨損，這歸因于制造缺陷。”納拉吉說道。

盡管如此，該材料的化學穩(wěn)定性和自修復行為在所有五次循環(huán)中仍然保持可靠。研究人員還觀察到材料沒有出現(xiàn)熱降解或斷裂，這表明即使在損傷和修復后，它仍然具有耐久性。該研究團隊的成果不僅代表了一類新興材料，還預示塑料不僅能夠持久存在，還能不斷進化和適應。