新型自愈復合材料可自我修復逾千次 有望讓汽車和飛機告別報廢

美國北卡羅來納州立大學和休斯敦大學的工程師團隊近日宣布，他們研發出一種全新的纖維增強復合材料，能夠在遭受結構損傷后反復自我修復超過1，000次，同時其初始強度還明顯高于目前用于制造飛機機翼、風力渦輪葉片等關鍵部件的傳統復合材料，被研究人員形容為多種關鍵應用領域的“游戲規則改變者”。研究團隊認為，這一材料有望顯著延長汽車、飛機、航天器、風力發電機等關鍵裝備的使用壽命。

這一突破針對的是復合材料中常見的“分層失效”問題——在服役過程中，纖維增強聚合物（FRP）內部的層狀結構會隨著時間推移逐漸發生分離，從而導致開裂甚至斷裂。 新材料在外觀上與傳統FRP相似，但在結構設計上更為堅韌，可以更有效地抑制分層、裂紋擴展和整體結構破壞。

據介紹，研究人員采用三維打印技術，在復合材料各層之間嵌入了一層具有特定圖案的熱塑性“自愈劑”中間層，從而實現顯著增強的抗分層能力。 這一中間層由聚（乙烯-共-甲基丙烯酸）（EMAA）制成，使材料對分層損傷的抵抗力比普通FRP提高了約2至4倍，大幅減少了裂紋產生和結構損傷。

除了自愈劑中間層，材料內部還集成了碳基加熱層，這一設計被視為另一項關鍵創新。 當外部施加電流時，這些加熱層會升溫并熔融EMAA中間層，使其流入微小裂縫，重新填充并“焊接”受損界面，完成所謂“熱修復”（thermal remending）過程，其機理源于聚合物鏈的重新纏結與重構。

為了驗證這種新型材料的自愈能力，研究人員通過施加拉伸載荷來模擬實際服役環境，并在試樣中人為制造長度約兩英寸的分層缺陷。 隨后，團隊多次激活自愈過程，并在長達40天的時間里反復循環這一加載—損傷—修復測試，總計進行了1，000次循環，以評估材料在反復損傷與修復條件下的結構完整性保持情況。

實驗結果顯示，該材料在多輪損傷—自愈循環后仍能有效修復內部損傷，并保持較高韌性，沒有出現明顯的結構退化。 研究團隊據此判斷，如果在航空航天、可再生能源和汽車等行業大規模采用這一材料，關鍵部件的服役壽命有望從目前通常的幾十年延長到數百年。

論文第一作者杰克·圖里切克（Jack Turicek）表示，與傳統復合材料相比，這種新材料從一開始就更為堅固，在至少500個損傷—修復循環中都能更好地承受結構損傷。 雖然材料的韌性會隨著修復次數的增加而逐漸下降，但這一衰減過程非常緩慢，理論上可使相關部件的可用壽命延長至約500年，而傳統FRP復合材料的典型壽命大多只有15至40年。

研究人員指出，該材料若能走向工程應用，將有助于通過延長關鍵部件壽命、減少更換頻率來降低運維成本，并由于減少制造與更換需求而降低能耗與工業固廢排放，對工業廢棄物管理和環境保護都有積極意義。 不過他們也強調，目前的試驗仍主要在實驗室環境下進行，材料還需要在真實工況下接受長期考驗，才能真正被視為成熟可靠的工程解決方案。