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神奇的自修復(fù)材料及其應(yīng)用案例

2017-03-29 18:24:56 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)絡(luò) 分享至：

我們知道，智能材料是一種能夠模仿生命系統(tǒng)、感知環(huán)境變化，并實(shí)時(shí)改變自身一種或多種性能參數(shù)，做出所希望的、能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料。而在智能材料的實(shí)際應(yīng)用中，必須具備的一個(gè)重要功能就是自修復(fù)。自修復(fù)材料在無外界作用條件下，材料本身就能對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行自我恢復(fù)。

材料在使用過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生局部損傷和微裂紋，并由此引發(fā)宏觀裂縫而發(fā)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(fù)，特別是自修復(fù)是一個(gè)現(xiàn)實(shí)而重要的問題。自修復(fù)的核心是能量補(bǔ)給和物質(zhì)補(bǔ)給、模仿生物體損傷愈合的原理，使復(fù)合材料對(duì)內(nèi)部或者外部損傷能夠進(jìn)行自修復(fù)自愈合，從而消除隱患、增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和延長使用壽命。

自修復(fù)材料按機(jī)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(fā)生結(jié)晶、在表面形成膜或產(chǎn)生交聯(lián)等作用實(shí)現(xiàn)修復(fù)；另一類主要是通過在材料內(nèi)部分散或復(fù)合一些功能性物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的，這些功能性物質(zhì)主要是裝有化學(xué)物質(zhì)的纖維或膠囊。以下試舉幾例，以對(duì)自修復(fù)材料管窺蠡測：

第一個(gè)例子是混凝土自修復(fù)材料。有研究者以水泥為基體，加鋼絲短纖維組成復(fù)合材料，同時(shí)嵌入玻璃空心纖維，其內(nèi)注入縮醛高分子溶液，分層澆注，固化后澆水養(yǎng)護(hù)制得成品。使用過程中，當(dāng)基體出現(xiàn)裂紋時(shí)，就會(huì)有部分纖維管破裂，修復(fù)劑流出，經(jīng)一段時(shí)間后，裂口處可形成重新粘合。

第二個(gè)例子是金屬磨損自修復(fù)材料。金屬磨損自修復(fù)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(gòu)成的復(fù)雜組分超細(xì)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(fù)材料的超細(xì)粉粒送入摩擦副的工作面上。它不與油品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不改變油的粘度和性質(zhì)，也無毒副作用。這種自修復(fù)材料的保護(hù)層不僅能夠補(bǔ)償間隙，使零件恢復(fù)原始形狀，而且還可以優(yōu)化配合間隙。因此，有利于降低摩擦振動(dòng)，減少噪聲，節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件摩擦表面幾何形狀的修復(fù)和配合間隙的優(yōu)化。

第三個(gè)例子是在最近，美國和日本的研究人員合作，共同開發(fā)出一種聚合物，經(jīng)紫外線照射，不僅能多次自我修復(fù)，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(fù)地形成共價(jià)鍵，使修復(fù)后的材料既強(qiáng)韌又穩(wěn)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(gè)硫原子結(jié)合在一起，其中的兩個(gè)硫原子的第二個(gè)鍵位又跟其他碳原子結(jié)合，這樣形成的整體結(jié)構(gòu)就具有了特殊的性質(zhì)：在紫外光照射下能夠重組。光照會(huì)使三硫代碳酸鹽中的一個(gè)碳-硫鍵斷裂，生成兩個(gè)根（擁有一個(gè)不成對(duì)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(fā)生反應(yīng)形成新的碳-硫鍵，打破其他分子鍵同時(shí)又產(chǎn)生更多更自由的根。這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會(huì)一直進(jìn)行，直到兩個(gè)根再次互相反應(yīng)才停止。實(shí)驗(yàn)中，研究人員將聚合材料浸入液體內(nèi)，或切成大塊兒，反應(yīng)都能順利進(jìn)行。將切開的邊緣緊密地壓在一起，用紫外線照射，邊緣處會(huì)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(jìn)行照射，也能融合成一片完整的材料。

最后一個(gè)例子是關(guān)于自修復(fù)材料向智能材料的邁進(jìn)：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(qiáng)復(fù)合材料中的斷裂，而且能修復(fù)它。他們的研究旨在開發(fā)“自適應(yīng)結(jié)構(gòu)”，模擬生物系統(tǒng)的能力，用“形狀-記憶”高分子材料，并結(jié)合嵌入式光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)，研制出了一種新奇的自修復(fù)材料。該材料具備損傷探測傳感和熱刺激傳遞系統(tǒng)的功能。通過模擬人類骨骼的高等感知能力和增強(qiáng)修復(fù)功能，一束紅外激光經(jīng)光導(dǎo)纖維系統(tǒng)傳播使材料局部變熱，即可激發(fā)增強(qiáng)與修復(fù)機(jī)制。該材料系統(tǒng)可將樣本的強(qiáng)韌度提高11倍。增強(qiáng)樣本一旦發(fā)生斷裂，能通過形狀記憶自動(dòng)愈合，強(qiáng)韌度能恢復(fù)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(fù)功能的智能材料會(huì)越來越多。其實(shí)，對(duì)于自修復(fù)材料，我們欣賞它神奇的自修復(fù)功能，以及保持材料在受破壞后能正常使用的同時(shí)，我們也不要忽略了自修復(fù)材料的另一個(gè)貢獻(xiàn)：由于自修復(fù)材料在自身產(chǎn)生破壞時(shí)能夠自我修復(fù)，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(jié)約資源的貢獻(xiàn)嗎？