通过热修复实现自修复：（左）玻璃纤维增强材料上的3D打印热塑性修复剂（蓝色覆盖层）；（中）断裂纤维复合材料原位自修复过程中的红外热成像图；（右）碳纤维增强材料上的3D打印修复剂（蓝色）。研究人员研发出一种自愈复合材料，其韧性远超目前用于飞机机翼、涡轮叶片及其他应用领域的材料，并且能够自我修复1000多次。研究人员估计，与目前数十年的设计寿命相比，这种自愈策略可以将传统纤维增强复合材料的使用寿命延长数百年。该研究成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。“这将大大降低更换受损复合材料部件的成本和人工成本，并减少许多工业部门消耗的能源和产生的废物量——因为他们需要手动检查、修理或丢弃的破损部件会减少。”该论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学土木、建筑和环境工程系副教授杰森·帕特里克说。如何改进纤维增强复合材料纤维增强聚合物（FRP）复合材料因其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、航天器和其他现代结构领域。纤维增强聚合物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出现裂纹，导致纤维层与基体分离。帕特里克说：“自20世纪30年代以来，分层一直是纤维增强聚合物复合材料面临的挑战。我们相信，新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。这远远超过了传统纤维增强聚合物复合材料15~40年的典型寿命。”自修复过程的工作原理这种自修复材料类似于传统的纤维增强聚合物复合材料，但具有两个额外的特性。首先，研究人员将热塑性修复剂3D打印到纤维增强层上，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的碳基加热层，通电后加热层会升温。以热量熔化修复剂，使其流入裂纹和微裂纹中，重新粘合分层界面，从而恢复结构性能。测试与性能不随时间变化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，该系统反复对纤维增强聚合物复合材料施加拉伸力，使其产生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发生分层之前能够承受的载荷。他们重复了1000次，比之前的记录高出一个数量级。论文第一作者、北卡罗来纳州立大学研究生杰克·图里切克说道：“我们发现，这种自愈材料的抗断裂能力一开始就远高于未改性复合材料。由于我们的复合材料初始韧性远高于传统复合材料，这种自修复材料在至少500次循环中，其抗裂性能优于目前市面上的层压复合材料。虽然其层间韧性在反复修复后会有所下降，但下降速度非常缓慢。”潜在应用及未来发展在实际应用中，只有在材料受到冰雹、鸟击或其他意外损坏后，或在定期维护期间，才会触发修复功能。研究人员估计，如果经常损坏，每季度需要进行一次修复，该材料的使用寿命可达125年；如果保养得当，每年才进行一次修复，则可达500年。“这对于飞机和风力涡轮机等大型昂贵技术而言具有显而易见的价值，”帕特里克说道，“但对于航天器等在难以接近的环境中运行的技术而言，这项技术可能尤为重要，因为这些环境很难或根本无法通过传统的现场修复方法进行修复。”该研究还揭示了修复能力随时间缓慢下降的原因。随着循环次数的增加，脆性增强纤维会逐渐断裂，产生微碎片，从而限制了再生位点。此外，修复剂与纤维和聚合物基体接触的化学反应也会随时间推移而减弱。即便如此，模型表明，自修复在极长的时间尺度内仍然有效。尽管固有的化学物理机制会缓慢降低修复效率，但研究人员预测，通过统计模型可以实现永久修复，而这种模型非常适合捕捉此类现象。帕特里克已通过其初创公司StructeryxInc.为该技术申请了专利并进行了许可。（逸文）