2026年3月2日，北卡罗来纳州立大学的研究团队宣称开发出了一种创新的自愈纤维增强聚合物（FRP）复合材料，能够在结构损伤后自动进行修复，并重复修复超过1000次。
△研究成果已发表于《美国国家科学院院刊》，研究题目为《长期自愈：原位自动化实现结构复合材料百年尺度裂缝修复》（传送门）
本次研究的重点是纤维增强聚合物（FRP）复合材料，这种材料因高强度重量比而备受青睐，广泛应用于飞机、汽车、风力涡轮机、航天器和其它现代结构领域。FRP复合材料由多层纤维（例如玻璃纤维或碳纤维）组成，这些纤维通过聚合物基体（通常是环氧树脂）粘合在一起。北卡罗来纳州立大学的研究人员开发的自修复技术旨在解决层间分层问题，层间分层是指复合材料内部裂纹的形成导致纤维层与基体分离。
北卡罗来纳州立大学土木、建筑和环境工程系副教授Jason Patrick说道：“自20世纪30年代以来，分层一直是FRP复合材料面临的一大挑战。我们相信，我们开发的自修复技术可以成为解决分层问题的长期方案，使部件的使用寿命长达数百年。这远远超过了传统FRP复合材料15至40年的典型寿命。”
研究人员3D打印复材自修复层能力
这种自修复材料类似于传统的FRP复合材料，但具有两个额外的特性。首先，研究人员利用3D打印技术将热塑性修复剂涂覆到纤维增强层上，形成聚合物图案化的中间层，使层压板的抗分层性能提高2到4倍。其次，研究人员在材料中嵌入薄薄的碳基加热层，通电后加热层会升温。热量熔化修复剂，并流入裂纹和微裂纹中，从而实现自我修复，重新粘合分层界面。
为了评估长期自愈性能，研究团队构建了一套自动化测试系统，该系统反复对FRP复合材料施加拉伸力，使它产生50毫米长的分层，然后触发热修复。实验装置在40天内连续运行1000次断裂-愈合循环，并在每次修复后测量材料的抗分层能力。换句话说，研究人员以完全相同的方式使材料开裂，进行修复，然后测量材料在再次分层前能够承受的载荷。他们重复了1000次，比之前的记录高出一个数量级。
北卡罗来纳州立大学研究生Jack Turicek说道：“我们发现，这种自修复材料的抗断裂性能一开始就远高于未改性复合材料。由于我们的复合材料的初始韧性远高于传统复合材料，因此这种自修复材料在至少500次循环中，抗裂性能优于目前市面上的层压复合材料。虽然它的层间韧性在反复修复后会有所下降，但下降速度非常缓慢。”
在实际应用中，研究人员估计，当材料受到冰雹、鸟击或其它意外损坏时，或者在定期维护期间，才会触发修复机制。因此，如果每季度进行一次修复，这种材料的使用寿命可达125年；如果每年进行一次修复，则可使用500年。
验证结果与专利技术正在商业化
在测试结果中，这项研究还揭示了自愈能力随时间缓慢下降的原因。随着循环次数的增加，脆性增强纤维逐渐断裂，产生微碎片，从而限制了可重新粘合的部位。此外，修复剂与纤维和聚合物基体相互作用的化学反应也会随时间推移而减弱。尽管存在这些导致性能下降的因素，但根据1000次循环的数据推演，该材料的自愈能力在极长的时间尺度内仍能保持有效。
此项研究不仅为航空航天、风力发电等行业提供了更为高效、经济的材料解决方案，还将大大降低受损复合材料部件的更换成本和人工成本，减少能源消耗与废物产生。
Patrick补充道：“这对于飞机和风力涡轮机等大型昂贵技术来说，显然具有重要价值。但对于航天器等技术而言，这一点可能尤为重要，因为航天器大多在难以接近的环境中运行，很难或根本无法通过传统的现场维修方法进行维修。”
该研究由美国战略环境研究与发展计划（SERDP）和国家科学基金会资助。目前，Jason Patrick 已通过他创立的公司Structeryx Inc. 为这项技术申请专利并完成许可授权，为产业化应用奠定了基础。
来源：南极熊
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