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神奇的自修復材料及其應用案例

2017-03-29 18:24:56 作者：本網整理來源：網絡分享至：

我們知道，智能材料是一種能夠模仿生命系統、感知環境變化，并實時改變自身一種或多種性能參數，做出所希望的、能與變化后的環境相適應的復合材料。而在智能材料的實際應用中，必須具備的一個重要功能就是自修復。自修復材料在無外界作用條件下，材料本身就能對內部缺陷進行自我恢復。

材料在使用過程中不可避免地會產生局部損傷和微裂紋，并由此引發宏觀裂縫而發生斷裂，影響材料正常使用和縮短使用壽命。裂紋的早期修復，特別是自修復是一個現實而重要的問題。自修復的核心是能量補給和物質補給、模仿生物體損傷愈合的原理，使復合材料對內部或者外部損傷能夠進行自修復自愈合，從而消除隱患、增強材料的強度和延長使用壽命。

自修復材料按機理可分為兩大類：一類主要是通過加熱等方式向體系提供能量，使其發生結晶、在表面形成膜或產生交聯等作用實現修復；另一類主要是通過在材料內部分散或復合一些功能性物質來實現的，這些功能性物質主要是裝有化學物質的纖維或膠囊。以下試舉幾例，以對自修復材料管窺蠡測：

第一個例子是混凝土自修復材料。有研究者以水泥為基體，加鋼絲短纖維組成復合材料，同時嵌入玻璃空心纖維，其內注入縮醛高分子溶液，分層澆注，固化后澆水養護制得成品。使用過程中，當基體出現裂紋時，就會有部分纖維管破裂，修復劑流出，經一段時間后，裂口處可形成重新粘合。

第二個例子是金屬磨損自修復材料。金屬磨損自修復材料是一種由羥基硅酸鎂等多種礦物成分、添加劑和催化劑等構成的復雜組分超細粉體組合材料，它的常用組分的粒度為0.1-10mm，可以添加到各種類型的潤滑油或潤滑脂中使用。以潤滑油或脂作為載體，將修復材料的超細粉粒送入摩擦副的工作面上。它不與油品發生化學反應，不改變油的粘度和性質，也無毒副作用。這種自修復材料的保護層不僅能夠補償間隙，使零件恢復原始形狀，而且還可以優化配合間隙。因此，有利于降低摩擦振動，減少噪聲，節約能源，實現對零件摩擦表面幾何形狀的修復和配合間隙的優化。

第三個例子是在最近，美國和日本的研究人員合作，共同開發出一種聚合物，經紫外線照射，不僅能多次自我修復，還可讓完全分離的碎片重新長在一起。其原理是原子之間能反復地形成共價鍵，使修復后的材料既強韌又穩定。這種新型聚合物材料是由三硫代碳酸鹽交叉連接而成。碳原子和三個硫原子結合在一起，其中的兩個硫原子的第二個鍵位又跟其他碳原子結合，這樣形成的整體結構就具有了特殊的性質：在紫外光照射下能夠重組。光照會使三硫代碳酸鹽中的一個碳-硫鍵斷裂，生成兩個根（擁有一個不成對的自由電子的分子）。這種根非常活潑，很容易跟其他的三硫代碳酸鹽發生反應形成新的碳-硫鍵，打破其他分子鍵同時又產生更多更自由的根。這種鏈式反應會一直進行，直到兩個根再次互相反應才停止。實驗中，研究人員將聚合材料浸入液體內，或切成大塊兒，反應都能順利進行。將切開的邊緣緊密地壓在一起，用紫外線照射，邊緣處會通過根的重組而長在一起。即使切成小碎片，只要把碎片壓在一起進行照射，也能融合成一片完整的材料。

最后一個例子是關于自修復材料向智能材料的邁進：最近，美國研究人員研制出一種新材料，不僅能感知組織材料中的損傷，比如纖維增強復合材料中的斷裂，而且能修復它。他們的研究旨在開發“自適應結構”，模擬生物系統的能力，用“形狀-記憶”高分子材料，并結合嵌入式光導纖維網絡，研制出了一種新奇的自修復材料。該材料具備損傷探測傳感和熱刺激傳遞系統的功能。通過模擬人類骨骼的高等感知能力和增強修復功能，一束紅外激光經光導纖維系統傳播使材料局部變熱，即可激發增強與修復機制。該材料系統可將樣本的強韌度提高11倍。增強樣本一旦發生斷裂，能通過形狀記憶自動愈合，強韌度能恢復到原來的96%，這是前所未有的程度。

可見，隨著研究的不斷深入，具有自感知自修復功能的智能材料會越來越多。其實，對于自修復材料，我們欣賞它神奇的自修復功能，以及保持材料在受破壞后能正常使用的同時，我們也不要忽略了自修復材料的另一個貢獻：由于自修復材料在自身產生破壞時能夠自我修復，從而提高了材料的利用率，使材料的使用壽命延長，這難倒不也是一種節約資源的貢獻嗎？