神奇的自修复材料

姚丁杨

自修复材料，顾名思义，就是一种在物体受损时能够进行自我修复的材料。尽管关于自修复材料的设想可以追溯到20世纪60年代，然而其在技术上的突破直到21世纪才得以凸显。

我们都知道，材料在使用过程中不可避免地会产生损伤和微裂纹，并由此引发宏观裂缝而发生断裂。如果我们能对材料的这种早期的损伤或者裂纹进行修复，那么对于消除安全隐患、增强材料的强度和延长材料的使用寿命则具有重大意义。然而，材料产生微裂纹的第一时间是不易被察觉的，因此，实现材料的自我修复便是一个现实而复杂的问题。

自修复技术的核心就是通过物质补给和能量补给，同时模仿生物体损伤愈合的原理，使复合材料的内部或者外部损伤能够进行自我修复愈合。

种类不同功能不同

按照修复机理，自修复材料可分为两大类：一类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；另一类是通过加热、光照等方式向材料提供能量，使其发生结晶、成膜或交联等作用来实现修复。基于这两大机理，自修复技术已经在混凝土、金属和高分子材料等领域有所应用。

1.混凝土自修复材料 这类材料以水泥为基体，用钢丝短纤维增强韧性，其自修复的核心就是在材料中嵌入玻璃空心纤维管，纤维管内注入缩醛高分子溶液——一种黏性很强的修复液。当材料在使用过程中出现裂纹时，就会有部分纤维管破裂、修复剂流出，经一段时间后，裂纹在修复液的作用下重新黏合。可以想象，如果在桥梁、建筑领域使用这种混凝土自修复材料，必将大大提升桥梁和建筑的使用寿命和安全性。

2.金属自修复材料 对于金属材料而言，磨损是令其失效的重要因素，因此，目前的金属自修复材料主要是针对其磨损损耗设計的。金属磨损自修复材料由多种矿物成分、添加剂和催化剂组成，外观是一种超细粉末。由于这种材料不与油品发生化学反应，也不会改变油的黏度和性质，因此可以将它添加到各种类型的润滑油或润滑脂中使用。这样便能以润滑油或润滑脂作为载体，将金属磨损自修复材料的超细粉粒涂抹到产生摩擦的工作面上。这种自修复材料的保护层不仅能够及时地补偿金属表面产生的磨损间隙，使零件恢复原始形状，还有利于降低摩擦振动，减少噪声，节约能源。

3.高分子自修复材料 这也是目前研究最多、种类最多的材料。由于高分子材料本身便是基于原子间共价键、氢键这种可以利用化学反应控制的结合方式，这便为实现自修复提供了更为“便利”的条件。目前，世界各国在高分子自修复材料领域开展了很多研究，下面我们介绍几项最近的研究成果。

修复能力极强的高分子材料

第一个是利用“光照”从而实现自修复的高分子材料，它是由美国和日本的研究人员共同开发的。

这种材料是通过紫外线照射的“能量供给”方式实现自我修复的。它的原理是充分利用材料中硫原子和碳原子的特殊结合方式，通过光照引发链式反应，从而使原子之间能反复地形成共价键。值得一提的是，这款材料的自修复能力极强，即使将材料切成碎块儿，只要将切开的边缘紧密地压在一起，用紫外线照射，边缘处就会重新结合在一起。

可以想象，如果将这项技术应用于手机屏幕，那么当我们的手机屏幕产生划痕时，只需在阳光下暴晒数小时，划痕便能消失。是不是很神奇？

第二个则是利用天然高分子材料的氢键特性而设计的自修复材料，这是澳大利亚莫纳什大学的一项研究成果。研究小组以支链淀粉、水和盐作为基本原料，制备了一种绿色氢键网络。该材料具有可愈合、可塑、可打印、导电、可再生等多种特性，并且材料成分环境友好，成本低廉。

在这种绿色氢键体系中，支链淀粉和水基于氢键相互作用形成空间网络的骨架结构，盐在水相中溶解形成的可自由移动的阴阳离子充当载流子，从而实现了导电特性。基于淀粉和溶剂之间的氢键相互作用，这种复合物具有良好的可修复特性，块体相接触后在室温下仅需耗时两三秒即可实现愈合，并且力学性能和导电性能可恢复至原材料的98%。

研究者们将这种自修复柔性材料用于临时的电路修复、可穿戴传感器以及柔性电子器件（如铜锌原电池、电致发光显示器件）都取得了不错的效果。这一研究工作为开发基于氢键体系的柔性电子器件提供了新的思路。

高分子自修复智能材料

目前，高分子自修复材料正在向智能材料迈进。最近，美国研究人员研制出一种新材料，它不仅能“感知”组织材料中的损伤，而且能修复它。研究人员构建了一种“自适应结构”，通过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，研制出了这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功能。它通过模拟人类骨骼的高等感知能力和增强修复功能，利用一束红外激光经光导纤维系统传播而使材料局部变热，从而激发和增强其修复机制。该材料系统可将样本的强韧度恢复到原来的96%，这样的恢复比率是前所未有的。

随着自修复技术的快速发展，各式各样的自修复材料必将在建筑、机械、电子、汽车、航天等领域广泛应用。我们在惊叹于自修复材料神奇的自修复功能的同时也应看到，这种提高材料的利用率、延长材料使用寿命的技术对于节约资源，实现可持续发展具有重大意义。

【责任编辑】张小萌