欧航局新成果:会 “自愈” 的碳纤维，或将改写未来航天器结构

​​​​​​具备自愈能力的航天器结构或将很快成为现实。瑞士的CompPair公司、瑞士电子和微技术中心，与比利时的Com&Sens公司携手欧洲空间局(ESA)，对其自研的自修复碳纤维产品进行改造，使其适配航天运输领域的应用需求。Cassandra项目(“复合材料自主感知与修复/Composite Autonomous SenSing AnD RepAir” 的简易缩写)将传感器和加热元件整合进碳纤维复合材料中，让航天器能够自主修复初期损伤。该项目隶属于欧洲空间局的 “未来航天运输创新研究计划”，该计划致力于发掘并测试能推动欧洲航天运输领域发展的创新技术。

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手持Cassandra测试面板

航天领域的复合材料应用

碳纤维增强聚合物这类复合材料正越来越多地应用于航天器结构制造。这类材料以聚合物为基体，辅以碳纤维或玻璃纤维层增强，质地坚固且轻量化，还具备抗腐蚀性。但复合材料也存在易受损的问题 —— 尤其是在反复执行天地往返航天任务时，细微的裂缝会随时间不断扩大。而传统的修复方式不仅成本高昂、耗时长久，还可能降低结构的整体强度。

基于这一痛点，CompPair 公司研发出了 “HealTech” 自修复复合材料。对该材料进行加热时，其内部的修复剂会被激活并流动，从而修复由撞击或应力产生的损伤。

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测试样品在加热条件下进行 Cassandra 修复过程的红外图像

光纤传感网络实现损伤定位

研究人员将光纤传感网络整合进浸有树脂的HealTech纤维中，制作出复合材料结构原型，这些传感器能精准定位结构出现的任何损伤。一旦检测到损伤，整合在材料中的3D打印铝制加热栅格会将材料加热至100-140℃，完成修复。同时，材料中集成了多个加热元件，可仅对受损区域启动修复程序。

研究人员对尺寸从 2×10 厘米到 40×40 厘米不等的多款材料样品开展了测试，重点验证材料的损伤监测效果、均匀加热能力和自修复性能。此外，团队还进行了热冲击测试，以观察材料在低温贮箱的典型工作环境下的响应表现。该技术的下一阶段测试，将聚焦于让材料适配更大的结构件，例如完整的低温燃料贮箱。

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Cassandra 演示装置示意图

为欧洲航天领域带来多重效益

这款材料能减少航天任务产生的废弃物，是可重复使用运载火箭的理想材料。欧洲空间局的贝尔纳・德科蒂尼表示：“将该技术应用到航天系统中，将为航天运输领域带来巨大效益，助力欧洲打造可重复使用的航天基础设施，降低任务成本。这一成果充分彰显了欧洲创新实力为航天领域发展带来的价值。”

CompPair 公司首席技术官罗宾・特里盖拉称：“我对这项技术为未来航天器和运载火箭带来的自主化与耐用性提升感到无比振奋，它正让科幻照进现实！该项目是 CompPair 公司进军航天领域的重要一步，HealTech技术为复合材料的健康监测与管理实现了前所未有的技术突破，清晰展现出自愈复合材料在提升可重复使用航天结构成本效益方面的巨大潜力。”

CompPair公司研发主管塞西莉亚・斯卡佐利解释道：“我们的测试证实，集成了健康监测与加热系统的 HealTech复合材料，具备自主损伤感知、自修复的能力，且抗微开裂性能优异。这让该材料能够满足推进剂贮箱和可重复使用航天结构的严苛要求，为研发更轻量化、更易维护的航天器部件铺平了道路。”

图实验室中的 Cassandra 演示面板

来源：ESA欧洲航天局

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