核心提要

• 在歐洲空間局 “未來航天運(yùn)輸創(chuàng)新研究計(jì)劃(FIRST!)” 的支持下，瑞士CompPair公司聯(lián)合比利時(shí)Com&Sens 公司與瑞士電子和微技術(shù)中心(CSEM)，研發(fā)出一款新型自監(jiān)測(cè)、自修復(fù)碳纖維復(fù)合材料。

• 卡珊德拉項(xiàng)目的測(cè)試表明，這款名為“HealTech(自愈科技)” 的材料可通過原位加熱修復(fù)使用過程中產(chǎn)生的裂縫。

• 該技術(shù)或?qū)⒊蔀榭芍貜?fù)使用航天運(yùn)輸設(shè)備的理想選擇。

詳細(xì)解讀

借助前沿的復(fù)合材料技術(shù)，具備自愈能力的航天器結(jié)構(gòu)或?qū)⒑芸斐蔀楝F(xiàn)實(shí)。瑞士的CompPair公司、瑞士電子和微技術(shù)中心，與比利時(shí)的Com&Sens公司攜手歐洲空間局(ESA)，對(duì)其自研的自修復(fù)碳纖維產(chǎn)品進(jìn)行改造，使其適配航天運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用需求。Cassandra項(xiàng)目(“復(fù)合材料自主感知與修復(fù)/Composite Autonomous SenSing AnD RepAir” 的簡(jiǎn)易縮寫)將傳感器和加熱元件整合進(jìn)碳纖維復(fù)合材料中，讓航天器能夠自主修復(fù)初期損傷。該項(xiàng)目隸屬于歐洲空間局的 “未來航天運(yùn)輸創(chuàng)新研究計(jì)劃”，該計(jì)劃致力于發(fā)掘并測(cè)試能推動(dòng)歐洲航天運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)。

圖手持Cassandra測(cè)試面板

航天領(lǐng)域的復(fù)合材料應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)聚合物這類復(fù)合材料正越來越多地應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)制造。這類材料以聚合物為基體，輔以碳纖維或玻璃纖維層增強(qiáng)，質(zhì)地堅(jiān)固且輕量化，還具備抗腐蝕性。但復(fù)合材料也存在易受損的問題 —— 尤其是在反復(fù)執(zhí)行天地往返航天任務(wù)時(shí)，細(xì)微的裂縫會(huì)隨時(shí)間不斷擴(kuò)大。而傳統(tǒng)的修復(fù)方式不僅成本高昂、耗時(shí)長(zhǎng)久，還可能降低結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

基于這一痛點(diǎn)，CompPair 公司研發(fā)出了 “HealTech” 自修復(fù)復(fù)合材料。對(duì)該材料進(jìn)行加熱時(shí)，其內(nèi)部的修復(fù)劑會(huì)被激活并流動(dòng)，從而修復(fù)由撞擊或應(yīng)力產(chǎn)生的損傷。

圖測(cè)試樣品在加熱條件下進(jìn)行 Cassandra 修復(fù)過程的紅外圖像

光纖傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)損傷定位

研究人員將光纖傳感網(wǎng)絡(luò)整合進(jìn)浸有樹脂的HealTech纖維中，制作出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)原型，這些傳感器能精準(zhǔn)定位結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的任何損傷。一旦檢測(cè)到損傷，整合在材料中的3D打印鋁制加熱柵格會(huì)將材料加熱至100-140℃，完成修復(fù)。同時(shí)，材料中集成了多個(gè)加熱元件，可僅對(duì)受損區(qū)域啟動(dòng)修復(fù)程序。

研究人員對(duì)尺寸從 2×10 厘米到 40×40 厘米不等的多款材料樣品開展了測(cè)試，重點(diǎn)驗(yàn)證材料的損傷監(jiān)測(cè)效果、均勻加熱能力和自修復(fù)性能。此外，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了熱沖擊測(cè)試，以觀察材料在低溫貯箱的典型工作環(huán)境下的響應(yīng)表現(xiàn)。該技術(shù)的下一階段測(cè)試，將聚焦于讓材料適配更大的結(jié)構(gòu)件，例如完整的低溫燃料貯箱。

圖Cassandra 演示裝置示意圖

為歐洲航天領(lǐng)域帶來多重效益

這款材料能減少航天任務(wù)產(chǎn)生的廢棄物，是可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的理想材料。歐洲空間局的貝爾納?德科蒂尼表示：“將該技術(shù)應(yīng)用到航天系統(tǒng)中，將為航天運(yùn)輸領(lǐng)域帶來巨大效益，助力歐洲打造可重復(fù)使用的航天基礎(chǔ)設(shè)施，降低任務(wù)成本。這一成果充分彰顯了歐洲創(chuàng)新實(shí)力為航天領(lǐng)域發(fā)展帶來的價(jià)值。”

CompPair 公司首席技術(shù)官羅賓?特里蓋拉稱：“我對(duì)這項(xiàng)技術(shù)為未來航天器和運(yùn)載火箭帶來的自主化與耐用性提升感到無比振奮，它正讓科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)！該項(xiàng)目是 CompPair 公司進(jìn)軍航天領(lǐng)域的重要一步，HealTech技術(shù)為復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)與管理實(shí)現(xiàn)了前所未有的技術(shù)突破，清晰展現(xiàn)出自愈復(fù)合材料在提升可重復(fù)使用航天結(jié)構(gòu)成本效益方面的巨大潛力。”

CompPair公司研發(fā)主管塞西莉亞?斯卡佐利解釋道：“我們的測(cè)試證實(shí)，集成了健康監(jiān)測(cè)與加熱系統(tǒng)的 HealTech復(fù)合材料，具備自主損傷感知、自修復(fù)的能力，且抗微開裂性能優(yōu)異。這讓該材料能夠滿足推進(jìn)劑貯箱和可重復(fù)使用航天結(jié)構(gòu)的嚴(yán)苛要求，為研發(fā)更輕量化、更易維護(hù)的航天器部件鋪平了道路?！?/p>

圖實(shí)驗(yàn)室中的 Cassandra 演示面板

來源：ESA歐洲航天局