纤维增强复合材料(FRP)以轻质高强的特性，广泛应用于航空航天、风电、汽车等领域。然而，自上世纪30年代问世以来，层间分层一直制约其结构完整性和使用寿命。当复合材料内部出现裂纹时，纤维层与环氧树脂基体易发生分离，导致材料强度下降和部件失效，传统FRP设计寿命仅15-40年，且需定期检测和维修，运营成本高，废料产生量大。
传统碳纤维（如图所示）强度高、重量轻，但一旦损坏则难以修复。
近日，美国北卡罗来纳州立大学(NC State)团队研发出新型自修复复合材料，通过两项核心设计同时解决层间分层问题并赋予主动修复能力。首先，团队在纤维增强体表面利用3D打印技术制备热塑性愈合剂，形成图案化夹层，使材料抗分层能力提升2-4倍，大幅降低裂纹产生概率。其次，材料内部嵌入超薄碳基加热层，通电后可快速升温，使热塑性愈合剂熔化流入裂纹处，实现界面重新粘合，精准恢复结构性能。这种热触发修复机制可按需响应，效率高且可靠。
实验验证表明，该材料可在连续1000次破坏-修复循环中保持显著抗断裂能力，修复效率初期达到传统复合材料的175%，即便多次循环后仍保持60%以上抗断裂性能。研究团队模拟实际应用场景发现，若按季度触发一次修复程序，材料部件寿命可达125年；按年度修复一次，可延长至500年，远超传统FRP寿命。这对于飞机机翼、风电叶片及航天器等高成本、高风险设备尤为重要，可显著降低维护和更换成本，同时提高运行可靠性。
图玻璃纤维增强材料上的3D打印热塑性修复剂(蓝色覆盖层)(左)；断裂纤维复合材料原位自修复过程中的红外热成像图(中)；碳纤维增强材料上的3D打印修复剂(蓝色)(右)
材料性能衰减的原因主要包括：反复循环导致脆性纤维断裂，微碎屑在愈合剂中累积限制界面粘合，以及愈合剂与基体界面化学反应随循环次数减弱。即便如此，统计模型显示修复效率仍存在40%以上的渐近极限，理论上永久修复具可行性，可在数百年使用周期内保持有效。
技术落地方面，该自修复复合材料已通过Structeryx公司完成专利授权，设计兼顾工业可行性，可直接集成到现有复合材料生产工艺，无需大规模改造生产线。团队正与工业界和政府机构合作，推动在航空、风电、航天、汽车等领域的应用。
这项技术不仅解决了困扰行业近百年的层间分层难题，也开启了纤维增强复合材料“自修复-百年服役”的新模式，为碳纤维及复合材料的高端应用提供新的思路和可能性，有望推动其在高端装备领域的应用渗透率进一步提升，实现材料性能与使用寿命的双重突破。
原文：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2523447123
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