Умный пластик ATSP: прочнее стали, легче алюминия и способен к самовосстановлению

Учёные в области аэрокосмической инженерии и материаловедения из Техасского университета A&M сообщили о новых свойствах сверхпрочного, пригодного для переработки «умного» пластика, открывающих путь к широкому применению в оборонной, аэрокосмической и автомобильной промышленности. Результаты исследования, опубликованные в журналах Macromolecules и Journal of Composite Materials, стали итогом совместной работы профессора Мохаммада Нараги, руководителя Лаборатории наноструктурированных материалов Техасского A&M, и профессора Андреаса Поликарпоу из Университета Талсы.

В центре внимания был композит на основе углеродного волокна — Aromatic Thermosetting Copolyester (ATSP). Материал сочетает высокую механическую прочность, способность к восстановлению формы и самовосстановлению повреждений. По словам Нараги, в авиации любое повреждение элементов конструкции может нарушить работу ключевых систем, и в таких случаях возможность «по требованию» запускать процесс самовосстановления открывает новые горизонты для повышения надёжности. В автомобильной отрасли технология способна восстанавливать деформации кузова после столкновений, улучшая защиту пассажиров.

ATSP также рассматривается как более экологичная альтернатива традиционным пластикам. Благодаря перерабатываемости и устойчивости к многократным циклам формования материал отвечает задачам сокращения отходов без ущерба прочности. Как отметил Нараги, эти витримеры в сочетании с короткими волокнами можно многократно измельчать и формовать заново без заметного ухудшения химических свойств.

Исследователи провели испытания на циклическое ползучее разрушение, чтобы изучить, как материал накапливает, хранит и высвобождает энергию при растяжении. Были определены две ключевые температуры: температура стеклования, при которой полимерные цепи начинают свободно перемещаться, и температура витрификации, при которой активируется массовый обмен связями, обеспечивая заживление, восстановление и изменение формы.

В ходе испытаний образцы подвергались многократному изгибу и нагреву до 160 °C для запуска самовосстановления. Результаты показали, что ATSP не только выдержал сотни циклов нагрева и нагрузки без разрушения, но и стал более прочным в процессе. Нараги сравнил это с кожей, которая растягивается, заживает и возвращается к исходной форме, становясь устойчивее.

Отдельная серия экспериментов включала пять циклов повреждений с последующим нагревом до 280 °C. После двух первых циклов прочность восстанавливалась почти полностью, а к пятому циклу эффективность заживления снизилась до 80 % из-за механической усталости. Высокоточное изображение показало, что структура композита после восстановления близка к исходной, хотя повторные повреждения вызывали локальный износ в местах производственных дефектов. При этом тепловое разложение не наблюдалось, а химическая стабильность сохранялась во всех циклах.

По мнению авторов, работа с ATSP демонстрирует не просто появление нового класса материалов, а пример того, как фундаментальные исследования и межуниверситетское сотрудничество могут менять подходы к проектированию полимеров, способных адаптироваться, восстанавливаться и служить дольше. Нараги подчеркнул, что ключевая роль в этих результатах принадлежит студентам и постдокторантам, которые проводят основную часть экспериментов, превращая научное любопытство в прикладные решения.