北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一种能够自我修复超过一千次结构损伤的纤维增强聚合物复合材料，其韧性超越了用于飞机、风力涡轮机和涡轮叶片的传统纤维增强复合材料。

这项研究由北卡罗来纳州立大学的团队完成，旨在解决FRP复合材料中顽固的层间分层失效模式。该团队估计，这种方法可以将标准复合材料的使用寿命从几十年延长至几个世纪。

该研究的核心创新在于，通过3D打印技术将一种热塑性修复物质作为夹层加入到纤维增强材料中。这种复合材料模仿了传统的纤维增强聚合物（FRP）材料，但增加了两项新特性：首先，一种热塑性愈合剂被3D打印到纤维层上，形成一个聚合物图案化的夹层，使抗分层能力提高2到4倍；其次，薄碳基加热器被嵌入材料中。

当复合材料内部通电的碳基层在受损时产生热量，会导致热塑性夹层部分熔化并渗入裂缝，从而使分层的界面重新粘合，恢复结构完整性。

为评估耐用性，研究人员建立了一个自动化系统，对一个50毫米的分层反复施加拉力并触发热愈合。自动化测试使该材料承受了5厘米的分层损伤，随后在40天内进行了一千次重复的自修复循环，比之前的自愈测试高出几个数量级。

研究团队称其性能结果比他们之前的记录高出了一个数量级。研究发现自愈材料的抗断裂性能从一开始就远优于未改性复合材料。该研究的合著者Jack Turicek表示，这种自修复材料在至少500个循环内抵抗开裂的能力比目前市面上的层压复合材料更好。

基于修复频率的预测表明，如果每季度修复一次，该材料可以使用125年；如果每年只进行修复再生循环，则可以使用500年。该技术为飞机和风力涡轮机等大型、昂贵的技术提供了价值，对于难以进行现场维修的太空船等技术可能格外重要。

研究还探讨了与反复自愈相关的挑战，包括效果逐渐减弱。尽管如此，统计建模表明，自愈在极长的时间尺度上仍然是可行的。

该研究已发表在《美国国家科学院院刊》上，论文标题为《长途跋涉的自愈：原位自动化实现结构复合材料的世纪尺度断裂恢复》。

该研究的通讯作者Jason Patrick表示，这项技术将显著降低与更换受损复合材料部件相关的成本和人力。该技术的专利由Patrick持有，并已通过他的公司Structeryx Inc.进行商业许可。他表示很高兴能与工业和政府伙伴合作，探索如何将这种自愈方法融入到他们的技术中，该技术在设计上战略性地考虑了与现有复合材料制造工艺的集成。

增材制造正在越来越多地赋能能够自主修复损伤的材料，应对多个行业的核心挑战。其在航空航天和国防领域的潜力尤为显著，这些领域对自愈材料的研究旨在延长部件寿命，同时减少维护需求。

美国国防部支持的项目阐明了这一方法。罗切斯特理工学院（RIT）的研究人员正在开发3D打印聚合物，使其能够自主修复承重部件的裂纹，增强在操作应力下的结构弹性。同样，德克萨斯农工大学和美国陆军研究实验室也研制出可自愈的弹性体聚合物，在加热时可以恢复断裂的共价键，从而使飞机零件等关键系统能够快速恢复。