北卡罗来纳州立大学和休斯顿大学联合研发出一种可自愈的复合材料，能够修复1000次损伤

来自北卡罗来纳州立大学 （NC State，罗利，美国）和休斯顿大学 （德克萨斯州，美国）的研究人员开发了一种自愈复合材料，该材料的性能优于目前用于飞机机翼、涡轮叶片和类似应用的材料，同时还能自我修复 1000 次以上。

“这将大大降低更换受损复合材料部件的成本和人工，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，”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。

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发的自愈技术针对层间分层，当复合材料内部出现裂纹并导致纤维层与基体分离时就会发生层间分层。

“自 20 世纪 30 年代以来，分层一直是 FRP 复合材料面临的一大挑战，”帕特里克解释说。“我们相信，我们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 FRP 复合材料 15 至 40 年的典型寿命。”

这种自修复材料类似于传统的 FRP 复合材料，但具有一些额外的特性。首先，研究人员利用 3D 打印技术将热塑性修复剂沉积到纤维增强材料上，形成聚合物图案化的中间层，使层压板的抗分层性能提高了 2 到 4 倍。

接下来，他们将薄薄的碳基加热层嵌入材料中，通电后这些加热层会升温。热量会熔化修复剂，修复剂流入裂缝和微裂纹中，重新粘合分层界面，从而恢复结构性能。

为了评估长期修复性能，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，使其产生 50 毫米长的分层，然后触发热修复。该实验装置在 40 天内连续运行 1000 次断裂-修复循环，并测量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一开始就远高于未改性复合材料，”论文第一作者、北卡罗来纳州立大学研究生杰克·图里切克（Jack Turicek）说道。“由于我们的复合材料的初始韧性远高于传统复合材料，因此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。”

在实际应用中，只有当材料受到冰雹、鸟击或其他意外损坏时，或者在定期维护期间，才会触发修复机制。研究人员估计，如果每季度进行一次修复，该材料的使用寿命可达125年；如果每年进行一次修复，则可使用500年。

帕特里克补充道：“这对于飞机和风力涡轮机等大型昂贵技术来说，显然具有重要价值。但对于航天器等在难以接近的环境中运行的技术而言，这一点可能尤为重要，因为这些环境很难或根本无法通过传统的现场维修方法进行维修。”

Patrick 通过他的创业公司 Structeryx Inc. 为该技术申请了专利并进行了许可。

论文《 长期自愈：原位自动化实现结构复合材料百年尺度裂缝修复 》发表于 《美国国家科学院院刊》 。论文第一作者是图里切克。论文的共同作者包括北卡罗来纳州立大学博士生扎克·菲利普斯和休斯顿大学土木与环境工程系卡尔·F·高斯教授卡利亚娜·纳克沙特拉。