美國北卡羅來納州立大學和休斯頓大學的工程師團隊近日公布一項研究成果，他們開發出一種全新纖維增強複合材料，能在遭受結構損傷後重複自我修復超過 1,000 次。同時，其初始強度明顯高於目前用於製造飛機機翼、風力渦輪葉片等關鍵部件的傳統複合材料。研究人員形容這是多個關鍵應用領域的「遊戲規則改變者」。 研究團隊認為，這種材料有望大幅延長汽車、飛機、航天器、風力發電機等關鍵設備的使用壽命。
這項突破針對複合材料中常見的「分層失效」問題——在服役過程中，纖維增強塑膠（FRP）內部的層間結構會逐漸推移分離，從而導致開裂直至斷裂。新材料外觀與傳統 FRP 相似，但在結構設計上更為精巧，能更有效地抑制分層、裂紋擴展和整體結構破損。
創新結構設計提升耐久性
據介紹，研究人員利用三維列印技術，在複合材料各層之間嵌入一層具有特定圖案的熱塑性「自癒中間層」，從而實現顯著增強的抗分層能力。這一中間層由環氧-馬來醯亞胺基熱塑酸（EMAA）製成，使材料對分層損傷的抵抗力比普通 FRP 提升約 2 至 4 倍，大幅減少裂紋產生和結構損傷。 除了自癒中間層，材料內部還集成了矽基熱層，這被視為另一關鍵創新。當外部施加電流時，這些熱層會升溫並熔融 EMAA 中間層，使其滲入微小裂縫，重新填補受損表面，完成所謂「熱修復」（thermal remending）過程，其機理
源於聚合物鏈的重結與重構。 為驗證這種新型材料的自癒能力，研究人員透過施加拉伸負荷模擬實際服役環境，並在試驗中人为製造約兩英寸長的分層缺口。隨後，團隊多次激活自癒過程，並在長達 40 天時間內重複進行負荷—損傷—修復測試，總共進行 1,000 次循環，以評估材料在重複損傷與修復條件下的結構完整性狀況。實驗結果顯示，該材料在多輪損傷—自癒循環後仍能有效修復內部損傷，並維持較高韌性，沒有出現明顯結構退化。
研究團隊據此判斷，若在航空航天、可再生能源和汽車等行業大規模採用這種材料，關鍵部件的服役壽命有望從目前常見的數十年延長至數百年。論文第一作者傑克·圖里切克（Jack Turicek）表示，與傳統複合材料相比，這種新材料從一開始就更為堅固，在至少 500 個損傷—修復循環中能更好地承受結構損傷。雖然材料韌性會隨修復次數增加而逐漸下降，但這一降幅過程極其緩慢，理論上可使相關部件的使用壽命延長至約 500 年，而傳統 FRP 複合材料的典型壽命大多僅有 15 至 40 年。
研究人員指出，若該材料能走向工程應用，將有助於延長關鍵部件壽命、降低更換頻率以減少運維成本，並因減少製造與更換需求而降低能源與工業固廢排放，對工業廢棄物管理和環境保護具有積極意義。不過他們也強調，目前試驗仍主要在實驗室環境下進行，材料還需在真實工況下接受長期考驗，方能真正被視為成熟可行的工程解決方案。
