想象一下，如果有一种工艺，能让机器无论用途或所处环境如何，都可以长期持续运作而无需频繁更换零部件——像深空探测器或远程行星着陆器这样几乎无法运输或补充备件的设备，也能保持长期运转。这听起来像科幻，但北卡罗来纳州立大学的研究人员正朝这个方向迈出了实际的一步，他们开发出了一种纤维增强聚合物（FRP）复合材料，有望实现这种长寿命机器的梦想。在发表在《美国国家科学院院刊》的论文《长期自我修复：原位自动化实现结构复合材料百年级断裂修复》中，博士生Jack Turicek和Zach Phillips，以及休斯顿大学土木与环境工程教授Kalyana Nakshatrala博士，详细介绍了他们材料的自愈技术以及其工作机制。
当复合材料内部产生裂纹，使纤维层与基体分离时，UNC团队的材料能够通过电加热熔化修复材料填充裂缝，渗入并重新结合分离层，从而实现自我修复。这对依赖汽车、航空航天器、风力涡轮机以及其他使用纤维增强聚合物（FRP）复合材料的结构系统的各类工业应用来说，是一项非常重要的突破。FRP复合材料通常由玻璃纤维、碳纤维或其他类型的纤维层叠在高分子基体中构成，具有极高的强度和相对较轻的重量。北卡罗来纳大学团队的新型自愈FRP复合材料，不仅继承了这些优点，还在强度和耐久性上超越了传统FRP。相比于标准FRP材料几十年的使用寿命，这种材料的寿命几乎可以被称为“永久”。
虽然“几乎不朽”并不意味着这些复合材料能永远使用，但它们可能在使用寿命上达到数百年，远远超出制造这些复合材料机器的多代周期。这种长寿命材料带来的生态效益同样显著，它减少了对原材料的采集、加工和生产需求，同时降低了成本。北昌大学土木、建筑与环境工程副教授、论文通讯作者Jason Patrick指出，这项技术将“显著降低受损复合材料部件更换的成本和人工投入，同时减少许多工业领域的能源消耗和浪费——因为损坏部件需要手动检查、修复或丢弃的次数大大减少”。凭借他的专利，Patrick及其公司Structeryx Inc.已经开始授权这项自愈技术。
那么，是什么让Structeryx的FRP复合材料在性能上超越传统复合材料呢？其中一项关键技术是在纤维增强材料上通过3D打印方式加入热塑性修复材料夹层，这种夹层能够使材料对剥离的抵抗力增加两到四倍。第二项创新是插入碳基层，通过电加热使其局部升温，从而使部分热塑性塑料熔化并渗入大裂缝和微裂缝，重新粘合分层界面。可以把它想象成钢铁侠装甲上的自熔金属层，当出现裂纹时能够自动“渗入”并修复，或者像科幻作品中赛隆的生物金属强化太空堡垒卡拉狄加一样修复受损区域。
目前，Structeryx FRP复合材料的实际使用寿命非常长。测试显示，如果材料每季度需要一次自我修复，它的寿命可以达到125年；如果每年只需一次修复，则可能延续到半个千年。自动化实验中，材料在40天内经历了5厘米分层破坏并完成自愈，经过一千个循环，其表现远超团队之前的纪录一个数量级。Turicek表示：“因为我们的复合材料本身比传统材料更坚韧，这种自愈材料比现有层压复合材料更能抵抗开裂，至少可以承受500次循环。尽管层隙韧性在反复愈合后会略有下降，但速度非常缓慢。”
这种性能优势为风力涡轮机、飞机以及远离维修设施的航天器、空间站和星际探测器带来了巨大的潜在益处。自愈FRP复合材料不仅延长了设备寿命，也显著降低了维护成本和人工操作难度，为工业和航空航天领域提供了一种全新的材料解决方案。
封面图片：unsplash/Maria Martinez Cano