使用寿命可达数百年！北卡罗来纳州立大学研发出持久耐用的3D打印自修复复合材料

2026年3月4日，南极熊获悉，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1000多次的复合材料，韧性远超飞机、风力涡轮机和涡轮叶片中使用的传统纤维增强复合材料。研究团队估计，这种方法可以将标准复合材料的使用寿命从数十年延长至数百年。

相关研究成果以题为“Self-healing for the long haul: Insitu automation delivers century-scale fracture recovery in structuralcomposites/长期自愈：原位自动化实现结构复合材料百年尺度断裂修复“的论文发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。由Turicek、ZachPhillips和Nakshatrala共同撰写。项目由战略环境研究与发展计划（SERDP）和美国国家科学基金会（NSF，项目编号2137100）资助。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2523447123

论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学土木、建筑和环境工程系副教授杰森·帕特里克表示：“这种材料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。”

纤维增强聚合物（FRP）复合材料因其优异的强度重量比而备受青睐，广泛应用于航空航天、汽车和可再生能源等领域。这种新型自修复技术专门针对层间分层失效问题，层间分层失效是指由于裂纹导致纤维层与基体分离的失效模式。

这种复合材料模仿了传统的FRP材料，但融入了两项创新功能。首先，通过3D打印将热塑性修复剂涂覆到纤维层上，形成聚合物图案化的中间层，使抗分层性能提高两到四倍。其次，材料中嵌入了薄型碳基加热器；通电后，加热器会加热热塑性材料，使其流入裂缝并重新粘合各层，从而恢复结构的完整性。

为了评估耐久性，研究人员构建了一个自动化系统，对50毫米的分层区域施加反复的拉伸力，并触发热修复。这一循环在40天内重复了1000次，比以往的自修复测试次数高出一个数量级。

△左图：玻璃纤维增强材料上的3D打印热塑性修复剂（蓝色覆盖层）；中图：断裂纤维复合材料原位自修复过程中的红外热成像图；右图：碳纤维增强材料上的3D打印修复剂（蓝色）。图片来自北卡罗来纳州立大学。

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：“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。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。”

实际上，修复过程只会在受损时发生，例如冰雹或鸟击，或者在维护期间。模型显示，如果每季度进行一次修复，材料的使用寿命可达125年。如果每年进行维护，则使用寿命可达500年。

帕特里克说：“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。但对于航天器等技术而言，这一点可能尤为重要，因为航天器大多在难以接近的环境中运行，很难或根本无法通过传统的现场维修方法进行维修。”

研究人员还探讨了重复自愈所面临的挑战，包括疗效逐渐丧失。经过多次循环后，纤维会断裂并产生微碎片，从而限制了重新粘合的区域。纤维、聚合物基体和修复剂之间的界面化学相互作用也会随时间推移而减弱。尽管如此，统计模型表明，自愈在极长的时间尺度内仍然有效。

论文合著者、休斯顿大学土木与环境工程系卡尔·F·高斯教授卡利亚纳·纳克沙特拉拉说道：“尽管固有的化学物理机制会缓慢降低愈合效果，但我们预测，通过统计模型可以实现永久修复，这种模型非常适合捕捉此类现象。”

Patrick拥有这项技术的专利，并通过他的公司Structeryx Inc.授权给其他公司使用。

帕特里克说：“我们很高兴能与行业和政府合作伙伴共同探索如何将这种自愈方法融入到他们的技术中，这些技术经过战略设计，可以与现有的复合材料制造工艺相结合。”

增材制造技术正日益推动可自主修复损伤材料的研发，从而解决多个行业面临的核心挑战。其在航空航天和国防领域的潜力尤为显著，这些领域对自修复材料的研究旨在延长部件寿命并降低维护需求。此类材料的进步提高了现场维修困难或不可能环境下的可靠性，降低了运行风险，并有助于关键任务系统保持持续的战备状态。

美国国防部资助的项目正是这种方法的体现。罗切斯特理工学院(RIT)的研究人员正在开发一种 3D 打印聚合物，能够自主修复承重部件中的裂纹，从而增强结构在运行应力下的韧性。同样，德克萨斯农工大学和美国陆军研究实验室也研发出了自修复弹性体聚合物，这种聚合物在加热时能够修复断裂的共价键，从而实现对飞机部件等关键系统的快速修复。这些研究成果共同表明，增材制造技术如何能够帮助缓解国防应用中的供应链和维修难题。

△克里斯托弗·刘易斯开发了一种自修复材料解决方案，以改进3D打印技术。图片来自罗切斯特理工学院。