新型自愈复合材料可自我修复逾千次 有望让汽车和飞机告别报废

美国北卡罗来纳州立大学和休斯敦大学的工程师团队近日宣布，他们研发出一种全新的纤维增强复合材料，能够在遭受结构损伤后反复自我修复超过1，000次，同时其初始强度还明显高于目前用于制造飞机机翼、风力涡轮叶片等关键部件的传统复合材料，被研究人员形容为多种关键应用领域的“游戏规则改变者”。研究团队认为，这一材料有望显著延长汽车、飞机、航天器、风力发电机等关键装备的使用寿命。

这一突破针对的是复合材料中常见的“分层失效”问题——在服役过程中，纤维增强聚合物（FRP）内部的层状结构会随着时间推移逐渐发生分离，从而导致开裂甚至断裂。 新材料在外观上与传统FRP相似，但在结构设计上更为坚韧，可以更有效地抑制分层、裂纹扩展和整体结构破坏。

据介绍，研究人员采用三维打印技术，在复合材料各层之间嵌入了一层具有特定图案的热塑性“自愈剂”中间层，从而实现显著增强的抗分层能力。 这一中间层由聚（乙烯-共-甲基丙烯酸）（EMAA）制成，使材料对分层损伤的抵抗力比普通FRP提高了约2至4倍，大幅减少了裂纹产生和结构损伤。

除了自愈剂中间层，材料内部还集成了碳基加热层，这一设计被视为另一项关键创新。 当外部施加电流时，这些加热层会升温并熔融EMAA中间层，使其流入微小裂缝，重新填充并“焊接”受损界面，完成所谓“热修复”（thermal remending）过程，其机理源于聚合物链的重新缠结与重构。

为了验证这种新型材料的自愈能力，研究人员通过施加拉伸载荷来模拟实际服役环境，并在试样中人为制造长度约两英寸的分层缺陷。 随后，团队多次激活自愈过程，并在长达40天的时间里反复循环这一加载—损伤—修复测试，总计进行了1，000次循环，以评估材料在反复损伤与修复条件下的结构完整性保持情况。

实验结果显示，该材料在多轮损伤—自愈循环后仍能有效修复内部损伤，并保持较高韧性，没有出现明显的结构退化。 研究团队据此判断，如果在航空航天、可再生能源和汽车等行业大规模采用这一材料，关键部件的服役寿命有望从目前通常的几十年延长到数百年。

论文第一作者杰克·图里切克（Jack Turicek）表示，与传统复合材料相比，这种新材料从一开始就更为坚固，在至少500个损伤—修复循环中都能更好地承受结构损伤。 虽然材料的韧性会随着修复次数的增加而逐渐下降，但这一衰减过程非常缓慢，理论上可使相关部件的可用寿命延长至约500年，而传统FRP复合材料的典型寿命大多只有15至40年。

研究人员指出，该材料若能走向工程应用，将有助于通过延长关键部件寿命、减少更换频率来降低运维成本，并由于减少制造与更换需求而降低能耗与工业固废排放，对工业废弃物管理和环境保护都有积极意义。 不过他们也强调，目前的试验仍主要在实验室环境下进行，材料还需要在真实工况下接受长期考验，才能真正被视为成熟可靠的工程解决方案。