神奇的自修复材料及其应用案例

2017-03-29 18:24:56 作者：本网整理来源：网络分享至：

我们知道，智能材料是一种能够模仿生命系统、感知环境变化，并实时改变自身一种或多种性能参数，做出所希望的、能与变化后的环境相适应的复合材料。而在智能材料的实际应用中，必须具备的一个重要功能就是自修复。自修复材料在无外界作用条件下，材料本身就能对内部缺陷进行自我恢复。

材料在使用过程中不可避免地会产生局部损伤和微裂纹，并由此引发宏观裂缝而发生断裂，影响材料正常使用和缩短使用寿命。裂纹的早期修复，特别是自修复是一个现实而重要的问题。自修复的核心是能量补给和物质补给、模仿生物体损伤愈合的原理，使复合材料对内部或者外部损伤能够进行自修复自愈合，从而消除隐患、增强材料的强度和延长使用寿命。

自修复材料按机理可分为两大类：一类主要是通过加热等方式向体系提供能量，使其发生结晶、在表面形成膜或产生交联等作用实现修复；另一类主要是通过在材料内部分散或复合一些功能性物质来实现的，这些功能性物质主要是装有化学物质的纤维或胶囊。以下试举几例，以对自修复材料管窥蠡测：

第一个例子是混凝土自修复材料。有研究者以水泥为基体，加钢丝短纤维组成复合材料，同时嵌入玻璃空心纤维，其内注入缩醛高分子溶液，分层浇注，固化后浇水养护制得成品。使用过程中，当基体出现裂纹时，就会有部分纤维管破裂，修复剂流出，经一段时间后，裂口处可形成重新粘合。

第二个例子是金属磨损自修复材料。金属磨损自修复材料是一种由羟基硅酸镁等多种矿物成分、添加剂和催化剂等构成的复杂组分超细粉体组合材料，它的常用组分的粒度为0.1-10mm，可以添加到各种类型的润滑油或润滑脂中使用。以润滑油或脂作为载体，将修复材料的超细粉粒送入摩擦副的工作面上。它不与油品发生化学反应，不改变油的粘度和性质，也无毒副作用。这种自修复材料的保护层不仅能够补偿间隙，使零件恢复原始形状，而且还可以优化配合间隙。因此，有利于降低摩擦振动，减少噪声，节约能源，实现对零件摩擦表面几何形状的修复和配合间隙的优化。

第三个例子是在最近，美国和日本的研究人员合作，共同开发出一种聚合物，经紫外线照射，不仅能多次自我修复，还可让完全分离的碎片重新长在一起。其原理是原子之间能反复地形成共价键，使修复后的材料既强韧又稳定。这种新型聚合物材料是由三硫代碳酸盐交叉连接而成。碳原子和三个硫原子结合在一起，其中的两个硫原子的第二个键位又跟其他碳原子结合，这样形成的整体结构就具有了特殊的性质：在紫外光照射下能够重组。光照会使三硫代碳酸盐中的一个碳-硫键断裂，生成两个根（拥有一个不成对的自由电子的分子）。这种根非常活泼，很容易跟其他的三硫代碳酸盐发生反应形成新的碳-硫键，打破其他分子键同时又产生更多更自由的根。这种链式反应会一直进行，直到两个根再次互相反应才停止。实验中，研究人员将聚合材料浸入液体内，或切成大块儿，反应都能顺利进行。将切开的边缘紧密地压在一起，用紫外线照射，边缘处会通过根的重组而长在一起。即使切成小碎片，只要把碎片压在一起进行照射，也能融合成一片完整的材料。

最后一个例子是关于自修复材料向智能材料的迈进：最近，美国研究人员研制出一种新材料，不仅能感知组织材料中的损伤，比如纤维增强复合材料中的断裂，而且能修复它。他们的研究旨在开发“自适应结构”，模拟生物系统的能力，用“形状-记忆”高分子材料，并结合嵌入式光导纤维网络，研制出了一种新奇的自修复材料。该材料具备损伤探测传感和热刺激传递系统的功能。通过模拟人类骨骼的高等感知能力和增强修复功能，一束红外激光经光导纤维系统传播使材料局部变热，即可激发增强与修复机制。该材料系统可将样本的强韧度提高11倍。增强样本一旦发生断裂，能通过形状记忆自动愈合，强韧度能恢复到原来的96%，这是前所未有的程度。

可见，随着研究的不断深入，具有自感知自修复功能的智能材料会越来越多。其实，对于自修复材料，我们欣赏它神奇的自修复功能，以及保持材料在受破坏后能正常使用的同时，我们也不要忽略了自修复材料的另一个贡献：由于自修复材料在自身产生破坏时能够自我修复，从而提高了材料的利用率，使材料的使用寿命延长，这难倒不也是一种节约资源的贡献吗？