智能“再生”：嵌入加热与3D打印技术赋予复合材料超凡自愈力

3D打印热塑性修复剂（蓝色覆盖层）涂覆于玻璃纤维增强材料上（左图）；断裂纤维复合材料原位自修复过程中的红外热成像图（中图）；3D打印修复剂（蓝色）涂覆于碳纤维增强材料上（右图）。图片来源：Jason Patrick，北卡罗来纳州立大学。

来自北卡罗来纳州立大学与休斯顿大学的研究人员开发出一种自修复复合材料。该材料不仅性能优于目前应用于飞机机翼、涡轮叶片等领域的现有材料，还能实现超过1000次的自我修复。

“这将显著降低更换受损复合材料部件的成本与人力，并减少许多工业领域的能耗与废弃物产生，因为它们需要人工检查、修理或丢弃的破损部件将大大减少，”论文通讯作者、北卡罗来纳州立大学土木、建筑与环境工程系副教授Jason Patrick表示。

此项由北卡罗来纳州立大学研究人员开发的自修复技术主要针对层间分层问题，即复合材料内部出现裂纹导致纤维层与基体分离的现象。

“自20世纪30年代以来，分层一直是FRP复合材料面临的主要挑战，”Patrick解释道。“我们相信，我们开发的自修复技术可以为分层问题提供一个长效解决方案，使部件使用寿命延长至数百年。这远超传统FRP复合材料15至40年的典型寿命。”

这种自修复材料在结构上与传统FRP复合材料相似，但具备若干增强特性。首先，研究人员利用3D打印技术将热塑性修复剂沉积在纤维增强材料上，形成聚合物图案化的中间层，使层压板的抗分层性能提升了2至4倍。

其次，他们在材料中嵌入了薄的碳基加热层，通电后会产生热量。热量使修复剂熔化，流入裂纹与微裂缝中，重新粘合分层界面，从而恢复结构性能。

为评估长期修复性能，研究团队搭建了一套自动化测试系统。该系统反复对FRP复合材料施加拉伸力以产生50毫米长的分层，随后触发热致修复过程。该实验装置在40天内连续运行了1000次“断裂-修复”循环，并测量了每次修复后的抗分层性能。

“我们发现，这种自修复材料的抗断裂性能起始值远高于未改性的复合材料，”论文第一作者、北卡罗来纳州立大学研究生Jack Turicek表示。“由于我们的复合材料起始韧性显著高于传统材料，这种自修复材料在至少500次循环内，其抗裂性能优于目前市场上现有的层压复合材料。尽管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。”

在实际应用场景中，修复机制仅在材料受到冰雹、鸟击等意外损伤后，或在定期维护期间才会被触发。研究人员估计，如果每季度修复一次，该材料使用寿命可达125年；如果每年修复一次，则可达500年。

“这对飞机、风力涡轮机等大型昂贵技术显然具有重要价值，”Patrick补充道。“但对于航天器等在难以接近的环境中运行的技术而言，这一点可能尤为关键，因为这些环境很难或根本无法通过传统的现场方法进行维修。”

Patrick已通过其初创公司Structeryx Inc.为该技术申请了专利并进行了授权。

题为《持久自愈：原位自动化实现结构复合材料百年尺度的断裂修复》的论文发表于《美国国家科学院院刊》。论文第一作者为Turicek。共同作者包括北卡罗来纳州立大学博士生Zach Phillips，以及休斯顿大学土木与环境工程系Carl F. Gauss教授Kalyana Nakshatrala。

此项工作获得了战略环境研究与发展计划（SERDP，资助号W912HQ21C0044）以及美国国家科学基金会（资助号2137100）的支持。