研究人员研发出一种新型自修复复合材料，其韧性优于目前用于飞机机翼、涡轮叶片等产品的现有材料，且可完成超 1000 次自我修复。研究人员预计，相比传统纤维增强复合材料数十年的设计使用寿命，这一自修复技术能将其使用寿命延长数百年。

直击纤维增强塑料复合材料的层间分层痛点

纤维增强聚合物（FRP）复合材料因高比强度的优异特性，被广泛应用于飞机、汽车、风力涡轮机、航天器等现代结构件领域。

该类复合材料由玻璃纤维、碳纤维等纤维层构成，各纤维层之间由环氧树脂等聚合物基体粘合。美国北卡罗来纳州立大学的研究人员研发的这一自修复技术，专门针对复合材料的层间分层问题 —— 即材料内部产生裂纹后，纤维层与基体发生分离的现象。

北卡罗来纳州立大学土木、建筑与环境工程系副教授、本论文通讯作者贾森・帕特里克表示：“这一技术将大幅降低受损复合材料构件更换相关的成本与人工投入，同时减少诸多工业领域的能源消耗和废弃物产生，因为企业需要人工检测、维修或报废的破损部件会大幅减少。”

帕特里克指出：“自 20 世纪 30 年代以来，层间分层一直是纤维增强塑料复合材料面临的难题。我们相信此次研发的自修复技术能为这一问题提供长效解决方案，让复合材料构件的使用寿命达到数百年，远超传统纤维增强塑料复合材料 15 至 40 年的常规使用寿命。”

碳基加热层实现分层界面重粘合

这款自修复材料的基底与传统纤维增强塑料复合材料一致，核心新增了两项设计。其一，研究人员通过 3D 打印技术，将热塑性修复剂涂覆在纤维增强体表面，形成聚合物图案化夹层结构，使复合材料层压板的抗分层能力提升 2 至 4 倍；其二，在材料内部嵌入超薄碳基加热层，该加热层通上电后即可产生热量，融化热塑性修复剂。修复剂熔化后会流入材料裂纹及微裂缝中，使发生分层的界面重新粘合，恢复材料的结构性能。

为测试材料的长期自修复性能，研究团队搭建了一套自动化测试系统：对纤维增强塑料复合材料施加拉力，使其产生 50 毫米长的分层裂纹，随后触发热修复程序。该实验系统在 40 天内持续完成了 1000 次 “断裂 - 修复” 循环测试，且在每次修复后均对材料的抗分层能力进行检测。也就是说，研究人员让材料以完全相同的方式产生裂纹、完成修复，再检测其再次发生分层前可承受的载荷，这一测试流程被重复了 1000 次，测试次数较该团队此前的纪录提升了一个数量级。

本论文第一作者、北卡罗来纳州立大学研究生杰克・图里切克表示：“测试发现，这款自修复材料的初始抗断裂性能远优于未改性的传统复合材料。由于其本身的韧性就显著高于传统产品，至少在前 500 次循环测试中，该自修复材料的抗开裂能力均优于目前市面的层压复合材料。尽管经过多次修复后，材料的层间韧性会有所下降，但衰减速度非常缓慢。”

年度自修复模式下使用寿命可达 500 年

在实际应用场景中，仅当材料因冰雹撞击、鸟类撞击等意外受损，或在定期维护阶段，才会触发自修复程序。研究人员测算，若按季度进行自修复，该材料的使用寿命可达 125 年；若采用年度自修复模式，使用寿命可延长至 500 年。

帕特里克称：“这一技术对飞机、风力涡轮机这类大型高价值装备的价值不言而喻，而对于航天器这类运行在极端偏远环境的设备而言，其重要性更为突出 —— 这类设备难以通过传统方式进行现场维修，甚至完全不具备现场维修的条件。”

该研究还揭示了材料修复性能随时间缓慢衰减的原因：在反复的断裂 - 修复循环中，脆性增强纤维会逐渐断裂，产生的微碎片会减少材料的重粘合位点；同时，修复剂与纤维、聚合物基体接触界面发生的化学反应，其反应效率也会随时间逐步降低。即便如此，研究团队通过建模分析发现，该材料的自修复功能在极长的时间尺度内仍能保持有效。

本论文合著者、休斯顿大学土木与环境工程系卡尔・F・高斯教授卡利亚纳・纳克沙特拉拉表示：“尽管存在固有的化学物理机制导致修复效率缓慢下降，但我们通过适配此类现象的统计建模分析证实，该材料的永久修复具备可行性。”

目前，帕特里克已通过其创立的 Structeryx 科技公司，为该技术申请专利并完成专利授权。

他表示：“我们十分期待与工业界和政府合作方携手，探索将这一自修复技术融入各类产品的实现路径。该技术在设计阶段就充分考虑了与现有复合材料制造工艺的兼容性，可实现无缝整合。”

相关研究论文已发表于《美国国家科学院院刊》。本研究得到美国战略环境研究与发展计划（SERDP，授权号：W912HQ21C0044）和美国国家科学基金会（授权号：2137100）的联合资助。