據(jù)美媒4月16日報道，美國一工程師團隊研發(fā)出一種纖維復合材料，可實現(xiàn)內(nèi)部損傷超千次自修復，解決了自20世紀30年代以來困擾飛機、汽車和風力發(fā)電機等輕量化材料使用壽命的結(jié)構(gòu)性弱點。該材料針對分層這一常見失效模式——即纖維增強聚合物復合材料內(nèi)部層在裂紋形成后分離，導致結(jié)構(gòu)完整性迅速下降——進行了針對性設(shè)計。

實驗室測試顯示，新型復合材料在40天內(nèi)連續(xù)經(jīng)受1000次斷裂-自修復循環(huán)，研究人員估算其功能壽命可從傳統(tǒng)材料的15至40年延長至數(shù)百年：若每季度修復一次，預計可達125年；若每年修復一次，更可長達500年。這一突破對依賴輕量化復合材料提升燃油效率、降低排放的行業(yè)意義重大。纖維增強聚合物復合材料雖以高強度輕量化著稱，但易分層問題迫使運營商投入高昂成本進行檢測、維修和部件更換。而可原位反復自修復的材料將大幅減少大型部件制造、運輸和報廢產(chǎn)生的浪費。

3D打印熱塑性修復層：研究團隊將具有自修復特性的聚（乙烯-共-甲基丙烯酸）（EMAA）直接打印在纖維增強層間，形成圖案化夾層。EMAA不僅能在受損時熔化填充裂紋，還能使復合材料抗分層能力提升2至4倍。北卡羅來納州立大學土木與環(huán)境工程教授、論文通訊作者杰森·帕特里克指出：“分層自20世紀30年代就是纖維增強聚合物復合材料的難題?！毙略鰥A層如同在剛性結(jié)構(gòu)中嵌入柔性接縫，降低應(yīng)力下內(nèi)部剝離風險。

嵌入式碳加熱層：當傳感器檢測到損傷時，電流通過復合材料內(nèi)的碳加熱層，使EMAA夾層熔化并流入裂縫，通過“熱修復”重新粘合受損界面。修復材料已內(nèi)置于結(jié)構(gòu)中，無需外部補丁或膠粘劑。

為驗證長期性能，研究團隊構(gòu)建自動化系統(tǒng)，重復施加拉力制造約5厘米長的分層，隨后激活加熱并測量材料再次失效前的承載能力。該系統(tǒng)連續(xù)運行1000次未中斷。論文第一作者杰克·圖里切克表示，新型復合材料初始韌性顯著高于傳統(tǒng)材料，且在至少500次循環(huán)內(nèi)抗裂紋性能優(yōu)于現(xiàn)有層壓復合材料。盡管韌性隨修復次數(shù)增加緩慢下降，但這一特性使其壽命預測遠超此前自修復材料研究。

盡管結(jié)果令人鼓舞，研究人員承認實際應(yīng)用需額外驗證，包括認證測試、耐濕耐溫循環(huán)、長期疲勞評估及模擬冰雹撞擊、鳥擊等實際損傷場景。該技術(shù)對風電行業(yè)環(huán)保意義尤為突出。風力發(fā)電機葉片采用相同復合材料以兼顧耐用性、柔韌性和輕量化，但這些特性導致葉片退役后難以回收。美國清潔能源協(xié)會指出，纖維增強塑料葉片回收復雜，目前多數(shù)退役葉片被填埋或焚燒。

盡管材料無毒，但歐洲多國已禁止葉片填埋，美國部分州也提出類似立法。國家可再生能源實驗室估算，按當前退役速度，到2050年美國累計葉片垃圾將達220萬噸。聯(lián)邦報告進一步強調(diào)，規(guī)模化處理這類復雜材料需加強研發(fā)。風力發(fā)電機設(shè)計壽命通常為20年，自修復技術(shù)雖無法徹底解決回收難題，但可推遲并減少廢棄物產(chǎn)生。

帕特里克表示，該技術(shù)通過降低受損部件更換需求，可減少多行業(yè)成本、勞動力、能源消耗和浪費，對航天器等現(xiàn)場維修困難的領(lǐng)域“尤為重要”。

（原文標題：Engineers Built a Material That Repairs Itself over 1,000 Times, Offering Centuries of Life for Cars, Airplanes, and Wind Turbines）