日本东北大学研究人员成功研制出一种新型多功能复合材料，该材料结合了碳纤维增强聚合物（CFRP）与压电材料，能够利用环境振动自主检测结构中的微小裂纹。这项技术已在《国际智能与纳米材料杂志》上发表。

研究团队介绍，这种自供能碳纤维复合材料无需外部电源即可监测结构健康状况，适用于航空航天、汽车制造和建筑工程等多个领域。东北大学助理教授王振金表示：“碳纤维增强聚合物具有优异的强度和轻质特性，广泛应用于飞机、风力涡轮机等大型结构中。但其内部裂纹的早期发现较为困难，许多结构难以部署电池或有线传感器，因此开发自供能的传感方案显得尤为重要。”

为提升材料性能，研究人员在环氧树脂基体中添加了由压电纳米颗粒构成的纳米复合材料，并采用无铅材料铌酸钾钠（KNN）替代传统的含铅陶瓷。实验测试显示，该复合材料在振动环境下可产生高达13.6伏的开路电压。当在碳纤维层与压电层之间引入模拟裂纹时，输出电压和共振频率会随裂纹扩展而下降。

王振金进一步说明：“这种材料能够将机械振动转化为可分析的信息。裂纹的增长会反映在无线信号的时序变化上，从而实现完全自主的结构健康监测，有助于提升飞机和能源系统的安全性。”基于这一特性，研究团队提出了一种将能量收集、传感与监测功能集成于单一材料体系的新方法。

通过内置的压电元件，自供能碳纤维复合材料可从振动中获取电能，用于监测加速度、压力等关键参数，并将数据无线传输至计算机，全程无需外接电源。此外，通过分析无线信号时序的变化，还能识别如分层等内部损伤。

王振金总结道：“传统检测方法需要独立的传感器、电缆和电源，而新材料能够自主工作。这降低了成本、重量和维护需求，在电力受限的环境中增强了安全性。除了推动更安全的航空与能源系统外，这项研究也为智能材料和无电池传感器技术的发展提供了支持。”目前，团队正探索该材料在下一代自供能结构健康监测系统中的潜在应用。