【研究前沿】北京理工宋卫东和太原理工李永存联合团队:碳纤维赋能的超弹性水凝胶复合材料——集成高强度、高效微波修复与可视化监测

近日，北京理工大学宋卫东教授和太原理工大学李永存副教授联合团队通过引入短碳纤维的方法实现了水凝胶复合材料的强度与微波修复效率的协同提升，同时还可对修复进程进行可视化监测。相关研究成果以“Carbon fiber-enabled superelastic hydrogel composites: Integrating high strength, efficient microwave healing and visual monitoring”为题发表在Chemical Engineering Journal上。

本研究首先利用“水相分散-凝胶复合”的两步法策略实现了短碳纤维在水凝胶基体中的均匀分散，制备了具有自适应纤维排列结构的SCF-PVA复合水凝胶（图1）。通过调节纤维含量和冻融循环次数的双参数调控，实现了复合水凝胶力学性能的高效协同增强。后续，利用碳纤维的微波响应特性，实现了高强度复合凝胶中受损裂纹近100%的愈合，并对其愈合原理进行了研究。此外，在微波愈合过程中观察到的火花放电现象可以作为监测愈合进度的视觉愈合指示器。这项工作提供了一种解决水凝胶强度和自愈效率之间冲突（图2）的新方法，并为设计用于柔性电子和软机器人的智能复合材料提供了一条新途径。

图1 SCF-PVA复合水凝胶的纤维自适应排布

图2 本文主要研究内容注

图3展示了使用拉伸试验机和电阻测量仪同时测量不同SCF含量的SCF-PVA复合水凝胶的力学和电学性能，每个样品在50%、100%和150%的应变水平下经历多次加载-卸载循环。结果表明通过双参数调控获得的高强度水凝胶具备力学稳定性。另外，加载-卸载循环中电阻变化表明PVA和SCF-PVA复合水凝胶具备电学稳定性，为其长期服役提供了基础。

图3 复合水凝胶的循环加载测试

作为一种柔性材料，水凝胶的强度和韧性低于传统金属和聚合物，这些限制使得水凝胶在使用过程中容易损坏和失效。因此，如果水凝胶材料能够实现受损裂纹的有效愈合，对于提高水凝胶材料的使用寿命和安全性具有重要意义。图4展示了使用传统方法与微波修复方法水凝胶修复前后的形貌以及修复原理。另外，微波辐射可以在不改变材料成分的情况下有效修复材料中的损伤裂纹，并且由于闭环修复特性，由此具备多次修复的潜力。

图4 传统方法和微波修复方法修复水凝胶及其修复机制

受损的SCF-PVA复合水凝胶在修复过程中出现表面温度升高和火花放电现象（图5），对其机制进行了理论分析以及实验验证。结果表明，短碳纤维与微波之间的强耦合作用是温度升高的直接原因，而温度升高将会促进愈合，另外短碳纤维在基体中存在搭接、桥联现象，这有效延长了其等效长度，也是造成含短碳纤维的水凝胶出现火花放电现象的直接原因。如果样品完好，短时间内不会出现明显现象，但如果有裂纹，短时间内就会出现明显的火花放电现象。因此，火花放电现象可以作为SCF-PVA复合水凝胶智能控制愈合过程的重要依据，避免过度愈合，为实现多重有效愈合提供重要依据。

图5 微波修复水凝胶机制以及监测原理

论文第一作者为北京理工大学刘松博士，北京理工大学宋卫东教授，北京理工大学肖李军副教授和太原理工大学李永存副教授为本文的共同通讯作者。该研究团队已在《Chemical Engineering Journal》《International Journal of Plasticity》、《International Journal of Mechanical Sciences》、《Composites Science and Technology》等国内外著名期刊发表多篇复合材料强韧化设计与变形失效机制相关的研究论文。相关研究得到了国家自然科学基金、计算物理全国重点实验室基金等项目的资助。研究团队招收固体力学、工程力学及爆炸力学方向博士后和博士、硕士研究生。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174697

审核：力学家