纖維增強復合材料(FRP)以輕質高強的特性，廣泛應用于航空航天、風電、汽車等領域。然而，自上世紀30年代問世以來，層間分層一直制約其結構完整性和使用壽命。當復合材料內部出現裂紋時，纖維層與環氧樹脂基體易發生分離，導致材料強度下降和部件失效，傳統FRP設計壽命僅15-40年，且需定期檢測和維修，運營成本高，廢料產生量大。

傳統碳纖維（如圖所示）強度高、重量輕，但一旦損壞則難以修復。

近日，美國北卡羅來納州立大學(NC State)團隊研發出新型自修復復合材料，通過兩項核心設計同時解決層間分層問題并賦予主動修復能力。首先，團隊在纖維增強體表面利用3D打印技術制備熱塑性愈合劑，形成圖案化夾層，使材料抗分層能力提升2-4倍，大幅降低裂紋產生概率。其次，材料內部嵌入超薄碳基加熱層，通電后可快速升溫，使熱塑性愈合劑熔化流入裂紋處，實現界面重新粘合，精準恢復結構性能。這種熱觸發修復機制可按需響應，效率高且可靠。

實驗驗證表明，該材料可在連續1000次破壞-修復循環中保持顯著抗斷裂能力，修復效率初期達到傳統復合材料的175%，即便多次循環后仍保持60%以上抗斷裂性能。研究團隊模擬實際應用場景發現，若按季度觸發一次修復程序，材料部件壽命可達125年；按年度修復一次，可延長至500年，遠超傳統FRP壽命。這對于飛機機翼、風電葉片及航天器等高成本、高風險設備尤為重要，可顯著降低維護和更換成本，同時提高運行可靠性。

圖玻璃纖維增強材料上的3D打印熱塑性修復劑(藍色覆蓋層)(左)；斷裂纖維復合材料原位自修復過程中的紅外熱成像圖(中)；碳纖維增強材料上的3D打印修復劑(藍色)(右)

材料性能衰減的原因主要包括：反復循環導致脆性纖維斷裂，微碎屑在愈合劑中累積限制界面粘合，以及愈合劑與基體界面化學反應隨循環次數減弱。即便如此，統計模型顯示修復效率仍存在40%以上的漸近極限，理論上永久修復具可行性，可在數百年使用周期內保持有效。

技術落地方面，該自修復復合材料已通過Structeryx公司完成專利授權，設計兼顧工業可行性，可直接集成到現有復合材料生產工藝，無需大規模改造生產線。團隊正與工業界和政府機構合作，推動在航空、風電、航天、汽車等領域的應用。

這項技術不僅解決了困擾行業近百年的層間分層難題，也開啟了纖維增強復合材料“自修復-百年服役”的新模式，為碳纖維及復合材料的高端應用提供新的思路和可能性，有望推動其在高端裝備領域的應用滲透率進一步提升，實現材料性能與使用壽命的雙重突破。

原文：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2523447123