随着航空航天、风电装备、高端汽车等领域向轻量化、高可靠性、长寿命方向快速发展，传统复合材料（如碳纤维增强聚合物基复合材料）在长期服役过程中，易因外力冲击、疲劳载荷、环境侵蚀等产生微裂纹、层间分层等损伤，这类损伤往往难以被及时发现，且修复过程繁琐、成本高昂，严重制约了其应用范围与服役寿命。自修复复合材料通过模拟生物系统的自我愈合能力，在损伤发生后无需复杂人工干预，即可自主完成裂纹填补与性能恢复，为解决上述难题提供了革命性方案。
早期自修复复合材料多实现单次或数十次修复，难以满足高端装备长期服役的需求，而千次级修复能力的突破，彻底改变了传统复合材料“短寿易损”的现状，使其有望实现数百年的服役寿命。碳纤维作为当前应用最广泛的高性能增强体，其与自修复机制的结合，不仅能保留碳纤维的结构优势，还能赋予复合材料自主修复能力，显著提升材料的可靠性与耐久性，降低运维成本。因此，深入研究新型自修复复合材料的千次修复机制，探索其在碳纤维领域的应用进展，对推动复合材料产业向高端化、智能化发展具有重要的理论意义与工程价值。
新型自修复复合材料的千次修复机制研究
自修复复合材料的修复机制主要分为外援型、本征型及混合式三类，其中千次修复能力的实现，核心在于修复体系的可逆性、稳定性与高效性，需解决修复剂消耗、界面结合弱化、性能衰减等关键问题。近年来，科研工作者通过结构设计、材料改性等手段，在千次修复机制的突破上取得了一系列重要成果，以下重点介绍两类主流千次修复机制的研究进展。
本征型千次修复机制：基于可逆动态键的反复作用
本征型自修复机制无需预埋修复剂，而是利用材料内部可逆动态键的断裂与重组实现自主修复，其千次修复能力主要依赖于动态键的高可逆性、高稳定性及反应高效性，是目前千次修复研究的主流方向之一。可逆动态键主要包括可逆共价键（如二硫键、亚胺键、Diels-Alder键）与超分子动态作用（如氢键、金属配位作用），通过合理设计分子结构，可实现动态键在外界刺激（热、光、电磁等）下的反复断裂与重组，进而完成千次以上的修复循环。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所朱锦团队联合韩国科研团队，设计合成了含有动态二硫键功能基团和氯取代基的新型热塑性聚氨酯材料，通过调控硬相区和软相区的结构比例，导入“离子抓取位点”并填入离子液体作为传输介质，使材料不仅具备类人体皮肤的弹性，还实现了高次数的自修复能力，其触觉功能可随伤口愈合而恢复，为千次修复机制的设计提供了新思路。此外，基于多重氢键的超分子自修复体系，通过构建高密度氢键网络，实现了室温下的快速自修复与千次循环稳定性，这类材料无需外部刺激，修复过程温和，且力学性能衰减缓慢，在柔性电子、智能涂层等领域具有广阔应用前景。
本征型千次修复机制的关键突破的在于：一是新型可逆动态键的设计，通过分子结构修饰，提升动态键的断裂-重组效率与循环稳定性，减少多次循环后的性能衰减；二是基体材料与动态键的协同设计，在保证材料原始力学性能的同时，赋予其优异的自修复能力，避免因动态键引入导致材料强度下降。目前，这类机制已实现1000次以上修复循环，修复后材料的力学性能保持率可达60%以上，部分体系甚至能保持80%以上的性能稳定性。
外援型千次修复机制：基于修复剂的循环利用与精准补给
外援型自修复机制通过在复合材料内部预埋修复剂（如热塑性树脂、环氧树脂等），当材料发生损伤时，修复剂被释放并填充裂纹，通过固化反应完成修复。传统外援型体系因修复剂一次性消耗，难以实现千次修复，而近年来研发的循环补给式外援型体系，通过3D打印、血管网络设计等技术，实现了修复剂的重复利用与精准补给，突破了千次修复的瓶颈。
美国北卡罗来纳州立大学的科研团队取得了代表性突破，其在传统纤维增强聚合物（FRP）复合材料基础上，通过两项关键创新实现了千次修复：一是利用3D打印技术在纤维层间嵌入热塑性愈合剂，形成图案化夹层，使材料抗分层能力提升2至4倍，大幅降低裂纹产生概率；二是集成超薄碳基加热层，通电后可快速升温，促使愈合剂熔化并流入裂纹，冷却后固化完成修复，修复剂可通过加热-冷却循环反复熔化、固化，实现循环利用。
为验证该体系的稳定性，研究团队搭建自动化测试系统，在40天内连续实施1000次“破坏—修复”循环，每次均人为制造50毫米长的分层裂纹，结果显示，材料在千次循环后仍保持优异性能，抗断裂能力显著优于传统复合材料，韧性衰减极为缓慢。研究表明，该体系的千次修复能力主要源于修复剂的循环可利用性与碳基加热层的精准触发，且修复机制可按需启动，在实际应用中，若按季度修复一次，材料可稳定服役125年以上，按年度修复一次则使用寿命可达500年，远超传统FRP复合材料15-40年的设计寿命。
此外，基于血管网络的外援型千次修复体系，通过模仿生物循环系统，在复合材料中构建三维互连的中空通道，存储修复剂，损伤时修复剂通过毛细作用输送至损伤区域，完成修复后可通过通道补充修复剂，实现多次循环修复。这类体系的优势在于修复范围广、修复效率高，可适配大型结构件的修复需求，但目前仍面临血管网络与基体界面结合差、修复剂补给效率低等问题，有待进一步优化。
千次修复机制的性能评估与关键挑战
千次修复机制的性能评估主要围绕修复效率、力学性能恢复率、循环稳定性、环境适应性四个核心指标展开。修复效率主要衡量材料在每次修复后性能恢复的速度与程度；力学性能恢复率是指修复后材料的强度、模量等指标与原始材料的比值，是评估修复效果的核心指标；循环稳定性关注千次修复后材料性能的衰减情况；环境适应性则考察材料在高温、高湿、腐蚀等极端环境下的修复能力。
目前，千次修复机制面临的关键挑战主要包括三个方面：一是多次修复后的性能衰减问题，反复的破坏-修复循环会导致增强纤维断裂产生微碎屑，累积后限制界面重新粘合，同时修复剂与基体的界面化学反应会随循环次数增加而弱化，影响修复效果；二是修复触发的精准性，如何实现损伤的精准识别与修复机制的按需触发，避免不必要的修复消耗，是提升材料服役寿命的关键；三是修复体系与基体材料的相容性，无论是动态键还是修复剂，都需与基体材料形成良好的界面结合，避免因界面缺陷导致材料整体性能下降。
新型自修复复合材料在碳纤维中的应用进展
碳纤维增强复合材料（CFRP）具有比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、轻量化等优异特性，广泛应用于航空航天、风电、汽车、轨道交通等高端领域，但层间分层、微裂纹等损伤问题一直制约其发展。将千次自修复机制与碳纤维结合，可赋予CFRP自主修复能力，显著提升其服役可靠性与寿命，降低运维成本，目前已成为复合材料领域的研究热点，相关应用研究已取得多项突破。
航空航天领域：提升装备可靠性，降低运维成本
航空航天装备（如飞机机翼、航天器结构件）长期处于极端环境，承受复杂载荷，易产生微裂纹与层间分层，且传统修复手段繁琐、成本高昂，甚至无法实现在轨修复。千次自修复碳纤维复合材料的应用，为解决这一难题提供了有效方案，可大幅提升装备的可靠性与服役寿命，降低运维成本。
美国北卡罗来纳州立大学研发的千次自修复FRP复合材料，可直接应用于飞机机翼、航天器结构部件，其千次修复能力可使部件寿命延长至数百年，远超现有材料的设计周期，对难以返修的航天器具有革命性意义。该材料的碳基加热层与碳纤维增强体具有良好的相容性，不仅不影响碳纤维的力学性能，还能通过精准加热实现修复机制的按需触发，避免因修复过程对装备结构造成二次损伤。
国内方面，中国科学院、清华大学等科研机构已开展相关研究，将本征型自修复机制与碳纤维结合，开发出具有千次修复潜力的碳纤维增强复合材料，其在高温环境下的修复效率可达80%以上，力学性能恢复率超过70%，有望应用于国产航空航天装备，提升装备的自主保障能力。此外，上海交通大学医学院附属瑞金医院与企业合作，开发出具备自修复功能的碳纤维基智能心脏支架原型，为碳纤维在医疗器械领域的应用拓展了新方向。
风电装备领域：延长叶片寿命，降低运维难度
风电叶片是风电装备的核心部件，通常采用碳纤维增强复合材料制造，其尺寸大、服役环境恶劣，长期承受风载荷、紫外线照射、温度变化等，易产生表面裂纹与内部分层，修复难度大、成本高，且叶片更换需投入大量人力物力。千次自修复碳纤维复合材料在风电叶片中的应用，可实现裂纹的自主修复，延长叶片寿命，降低运维难度与成本。
目前，国内外科研机构已开展相关试点应用，将外援型千次修复体系（3D打印热塑性愈合剂+碳基加热层）应用于碳纤维风电叶片，当叶片产生裂纹时，碳基加热层通电升温，热塑性愈合剂熔化流入裂纹，完成修复，修复过程可重复千次以上，无需拆解叶片，大幅降低运维成本。研究表明，采用该技术的碳纤维风电叶片，使用寿命可从传统的20-25年延长至50年以上，且运维成本降低40%以上，具有显著的经济与环境效益。
3.3 汽车与轨道交通领域：实现轻量化与高可靠性的统一
轻量化是汽车与轨道交通领域的发展趋势，碳纤维增强复合材料因轻量化优势，被广泛应用于车身、底盘等部件，但传统CFRP易因碰撞、疲劳产生损伤，影响车辆安全性。千次自修复碳纤维复合材料的应用，可在实现轻量化的同时，提升部件的抗损伤能力与可靠性，减少事故发生概率。
在汽车领域，相关企业已尝试将本征型千次自修复碳纤维复合材料应用于车身面板、保险杠等部件，材料在受到轻微碰撞产生裂纹后，可自主完成修复，恢复其结构强度与外观，避免因小裂纹扩大导致的部件更换。此外，自修复碳纤维复合材料还可应用于汽车轮胎内胎、车衣膜等，实现轮胎穿刺自修复、车身划痕自主消失，进一步降低车辆维护成本。在轨道交通领域，千次自修复碳纤维复合材料可应用于列车车身、车厢内饰等部件，提升列车的轻量化水平与运行可靠性，降低运维成本。
碳纤维应用中的关键技术突破与现存问题
新型自修复复合材料在碳纤维中的应用，已取得多项关键技术突破：一是修复体系与碳纤维的相容性优化，通过表面改性、分子设计等手段，使自修复剂或动态键与碳纤维表面形成良好的界面结合，避免界面缺陷影响材料整体性能；二是修复触发技术的精准化，开发出基于损伤传感的智能触发系统，可实现损伤的精准识别与修复机制的按需触发，减少修复消耗；三是工程化制备技术的突破，实现了千次自修复碳纤维复合材料的规模化生产，降低了制备成本，为其产业化应用奠定了基础。
但目前仍存在一些亟待解决的问题：一是制备成本较高，千次修复体系（如碳基加热层、高性能修复剂）的制备工艺复杂，导致自修复碳纤维复合材料的成本远高于传统CFRP，限制了其大规模应用；二是极端环境下的修复性能不足，在高温、高湿、强腐蚀等环境下，修复效率与循环稳定性显著下降，难以满足部分高端领域的服役需求；三是标准体系不完善，目前尚未建立统一的千次修复性能评估标准与工程应用规范，影响其产业化推广；四是核心技术存在差距，国内在高端修复剂、碳基加热层等核心材料上仍部分依赖进口，自主可控能力有待提升。
未来发展展望
结合当前研究现状与应用需求，新型自修复复合材料的千次修复机制及其碳纤维应用，未来将朝着“高效化、智能化、低成本、工程化”的方向发展，重点关注以下几个方面：
一是新型千次修复机制的创新设计，重点研发新型可逆动态键与循环补给式修复体系，解决多次修复后的性能衰减问题，提升修复效率与环境适应性，探索多机制协同修复模式，实现修复性能的进一步突破；二是碳纤维与自修复体系的深度融合，优化界面结合性能，开发兼具轻量化、高强度、高修复性能的碳纤维复合材料，拓展其在极端环境下的应用；三是低成本制备技术的研发，简化制备工艺，开发低成本修复剂与触发系统，降低自修复碳纤维复合材料的生产成本，推动其大规模产业化应用；四是智能化水平的提升，结合传感器、物联网、数字孪生等技术，实现损伤的实时监测、精准识别与自主修复，构建“监测-修复-评估”一体化智能系统；五是标准体系的完善，建立统一的千次修复性能评估标准与工程应用规范，加强产学研合作，推动自修复碳纤维复合材料在各领域的规模化应用。
此外，随着全球复合材料市场的持续扩大，中国作为全球最大的复合材料消费国，应加大科研投入，突破核心技术瓶颈，提升自修复复合材料的自主可控能力，推动其在航空航天、风电、汽车等领域的应用渗透率提升，助力新材料产业向高端化、智能化、绿色化发展。
新型自修复复合材料的千次修复机制，通过本征型可逆动态键作用与外援型循环补给设计，突破了传统自修复材料修复次数有限的瓶颈，实现了材料损伤后的千次级自主修复，为延长复合材料服役寿命、降低运维成本提供了核心支撑。碳纤维与千次自修复机制的结合，不仅保留了碳纤维的轻质高强优势，还赋予复合材料自主修复能力，在航空航天、风电、汽车等高端领域展现出广阔的应用前景。
目前，千次修复机制的研究已取得显著进展，其在碳纤维中的应用也实现了多项技术突破，但仍面临制备成本高、极端环境适应性不足、标准体系不完善等问题。未来，通过新型修复机制的创新、低成本制备技术的研发、智能化水平的提升及标准体系的完善，必将推动千次自修复碳纤维复合材料的产业化应用，为高端装备领域的发展提供重要支撑，推动复合材料产业进入“自主修复、长期服役”的新时代。
