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、航太和汽車工業等領域，為高階製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碳纖維複合材料」。其韌性是鋼鐵的數倍，重量卻比鋁輕的材料，並能在反覆損傷後自行癒合。
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》、《複合材料雜誌》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，兼具熱塑性塑膠的柔韌性、熱固性塑膠的化學結構穩定性。因此科學家選擇讓ATSP與碳纖維結合。
研究人員發現，「ATSP碳纖維複合材料」加熱至約160°C，就能使其出現玻璃化現象並觸發自癒機制，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，使其發生交換和癒合機制讓材料實現真正的自癒、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癒合測試。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碳纖維複合材料」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。
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甚麼影響的。結果顯示，材料在受損和修復後與原始設計相似，但反覆損壞產生一些細小碎片影響了癒合的完美性。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碳纖維複合材料」，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份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碳纖維複合材料」。它可以拉伸、癒合，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，甚至變得比最初製造時更加穩固。
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碳纖維複合材料技術成熟與規模化生產，該複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闢出全新的領域。
納米結構材料實驗室主任兼美國德州農工大學航太工程教授Mohammad Naraghi博士對該校新聞室表示，「航太應用中，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。」
Naraghi也點出了在汽車工業的潛力。他說，「由於該材料中的化學鍵發生交換，讓它可以在碰撞後恢復汽車的變形。這將顯著提升車輛與乘客的安全性。」
他進一步說明，「ATSP碳纖維複合材料中，ATSP玻璃體不僅在整個不連續碳纖維中起到增強作用，還能在被壓碎後被塑造成新的形狀，從而起到重複自修復與循環再利用的目標。另外，該材料獨特的化學性質使其不容易降解。」
該研究獲得空軍科學研究辦公室（AFOSR）贊助（獎勵編號 FA9550-22-1-0496），與土耳其科學技術研究理事會（TUBITAK）支持，並承諾推動美國國防和工業優先事項。#
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