Healing-phase architecture governs cryogenic damage tolerance and mechanical recovery in EMAA-modified self-healing carbon fibre/epoxy composites

氢气是一种清洁燃料，燃烧时不会产生碳排放，这使其成为未来车辆和航天器动力的极具前景的候选方案。然而，为了有效利用它，工程师必须将其大量储存在既极其轻盈又足够坚固的储罐中，以承受极高的压力或极低的温度。最先进的储罐由碳纤维层与坚韧的塑料树脂包裹而成。虽然这些材料比金属更轻，但它们有一个隐藏的弱点：当温度降至储存液氢所需的极低温时，罐体内部的不同材料收缩速率不同。这种不匹配会在纤维层间的塑料中产生微小的裂纹。随着时间的推移，这些裂纹可能会连接起来形成路径，导致氢气泄漏，从而可能导致储罐失效。科学家们一直致力于研究如何让这些储罐实现“自修复”，这意味着它们可以在受热时自动修复这些微小裂纹，就像皮肤上的伤口在身体自然过程的作用下愈合一样。

伦敦玛丽女王大学和曼彻斯特石墨烯创新中心的研究人员致力于解决关于如何制造这些自修复储罐的一个特定难题。他们知道，添加一种名为乙烯-甲基丙烯酸（EMAA）的特殊塑料可以帮助材料在加热时实现自我修复，但他们并不确定这种修复塑料应该放置在何处，才能在极低温环境下发挥最佳效果。他们测试了将这种塑料放入碳纤维层中的两种截然不同的方法。在第一种方法中，他们在堆叠层中间插入了一层连续的修复塑料片，就像在两片面包之间涂上一层黄油。在第二种方法中，他们在层叠之前，直接将这种塑料的微小颗粒喷洒在碳纤维表面，从而在整个结构中形成分散的分布。通过在相同的条件下测试这两种设计，该团队旨在发现哪种排列方式能使储罐在反复的冻融循环后保持最强的强度和抗损伤能力。

团队使用这两种方法制作了碳纤维增强塑料样品，并对其进行了严格测试。首先，他们在室温下拉伸样品，以观察其刚度和强度。正如预期的那样，添加修复塑料使得材料比标准的、未经修改的样品略显缺乏刚度和强度，因为这种塑料比它所取代的环氧树脂更软。然而，当研究人员将样品冷却到液氮温度（约零下196摄氏度）时，情况发生了剧烈变化。所有样品都变得更加坚硬和强韧，这是这些材料在寒冷环境下的常见反应。有趣的是，带有喷洒颗粒的样品恢复了其原始强度，达到了与未修改材料相当的性能，而带有中间层的样品则仍然稍显脆弱。这表明，将修复颗粒分散在纤维表面有助于材料更好地应对寒冷带来的初始应力，其效果优于在中间设置单一厚层。

然而，真正的考验在于研究人员模拟了真实氢气罐会经历的反复损伤与修复过程。他们对样品施加载荷，将其加热以让修复塑料熔化并流动进任何裂缝中，然后再次冷却，并重复这一循环四次。在室温下，未经修改的样品在测试结束时损失了超过一半的刚度，而自修复样品则保留了大部分强度。带有中间层的样品表现最好，保留了近90%的原始刚度，而喷洒颗粒的样品保留了约70%。当团队在极低温条件下重复这一残酷的循环时，差异变得更加关键。未经修改的样品在完成第四个循环之前就完全失效，由于累积的损伤而破碎。相比之下，两种自修复设计都成功完成了全部四个循环。带有中间层的样品不仅幸存了下来，而且变得比之前更强，其最终强度甚至高于开始前的原始强度。它在断裂前还能拉伸得更远，表明它在修复过程后变得更加具有柔韧性和韧性。

为了理解为什么中间层在寒冷环境下效果更好，研究人员在显微镜下仔细观察了破碎的部分。未经修改的样品显示出混乱的裂纹网络，这些裂纹贯穿了所有层级，形成了一个材料无法修复的损伤网络。喷洒颗粒的样品显示出了一些改善，熔化的塑料颗粒有助于桥接微小的间隙，但损伤仍然散布在整个材料中。然而，带有中间层的样品却呈现出不同的情况。连续的修复塑料层充当了一个专门的区域来吸收损伤。当材料受热时，这一层发生流动并重新粘合了分离的部分，有效地封闭了裂缝并恢复了整个面板的结构完整性。研究人员观察到，中间层的塑料在修复过程中实际上稍微挤出了边缘，证明了它已经熔化并移动以填充空隙。这种连续的流动使得材料恢复承载能力的效果远好于分散颗粒的效果。

研究结论指出，虽然添加自修复塑料的两种方法都能提高碳纤维储罐的耐用性，但塑料的位置是决定性能的关键因素。将连续的薄片放置在层中间，可以为应对冻融引起的反复开裂提供最有效的保护。这种方法不仅能防止材料破碎，还有助于其在每个循环后恢复强度和柔韧性。尽管研究人员在本次特定实验中没有直接测量气体泄漏量，但中间层设计阻止了连通损伤网络的形成这一事实表明，它在防止氢气泄漏方面也会非常有效。这一发现为工程师设计下一代用于车辆和航天器的轻量化、安全且可重复使用的氢气储罐提供了清晰的路径，表明仅仅通过改变修复材料的排列方式，就能对储罐在最严酷环境下的生存能力产生深远的影响。