自修复材料

数理学院唐思铭高分子自修复材料自修复系统自修复系统是一种可以将分子恢复到原始状态的高分子层面上的系统。不论它是均聚物，低聚物或是非交联网状结构的。因为这种高分子在常温下是稳定的，所以需要一个外在的推动力来促使恢复系统工作。对于一个能自修复的材料，假如这个材料是被热损伤而想要恢复原先的组成，那么在在制造该分子的条件下它就然能恢复到它的高分子形态。狄尔斯—阿尔德反应狄尔斯—阿尔德反应在所有的自修复材料中，狄尔斯-阿尔德反应以及它的逆反应由于出色的热力学恢复性能，是最能说明这个问题的。总的来说，加入单体中含有官能团（比如呋喃或者马来酰亚胺这样的相邻双键的结构）然后，通过狄尔斯—阿尔德反应形成高分子。这样的高分子，在加热的状况下，会分解为他的单体形式。然而，在冷却或者其它类似于先前合成的条件下，反狄尔斯—阿尔德反应会将高分子恢复到原来的形态。交联聚合物在这种类型的高分子中，分子通过侧基的交联而形成高分子。通过狄尔斯-阿尔德反应，在室温下得到一种交联度更高的材料。而且，这种材料要比原有材料具有更高的热稳定性。然而在80度和适当的溶剂下，这个高分子又通过狄尔斯—阿尔德反应分解成两种原料。这意味着这个聚合物已经被降解了。这在理论上也是可行的，因为加热所产生的热量足以让反应越过能垒，从而生成两种单体。冷却这两种单体或者是被降解的产物，在室温下保存7天，它们又会恢复成原来的高分子。交联聚合物图示自修复高分子通过狄尔斯—阿尔德反应在呋喃或者顺丁烯二酰亚胺的条件下，发生交联。多官能团单体的聚合反应在这种高分子中，DA反应发生在分子链的主链上而不是分子链的侧基上。对于3M4F,一个在呋喃顺丁烯二酰亚胺和由DA反应逐步聚合的高分子，只有通过加热以及冷却循环才能证明它的自修复能力。这种聚合物通过DA反应加工合成，然后再在加热到120度是通过RDA反应分解。不断加热到90-120度然后降温到室温可以修复这种高分子，特别是能修复那些由于机械外力所造成的损伤。图示在呋喃—丁二烯二酰亚胺条件下，高分子交联网状结构的降解硫醇类高分子硫醇类高分子拥有二硫键，这些键可以通过氧进行连接或者断裂。在分解的情况下，二硫键断裂，高分子分解成单体。然而，在氧化的条件下，硫醇化物每个单体都能生成二硫键，交联形成高分子。图示可逆交联高分子通过二硫键连接高分子自修复高分子材料的自修复过程也和生物过程类似，分为三个步骤。在遭受到损伤后，首先是产生一个刺激或信号，这几乎是与伤害同步发生的。第二步是将迅速将材料转移到受损伤部位。第三步化学修复过程。这个机制取决于材料的本质。（聚合方法，缠结，可逆的交联）这些自修复方法可以分为三大种：胶囊状修复，管状修复，以及内修复（即可逆自修复）。这三种方法尽管表面上十分相似，但是只有当损伤发生时，其机制才能真正发挥作用。胶空心管方法对于第一种方法，会在脆性的空心管或橡胶里镶嵌填充材料。（这种方法已经广泛应用于现实生活中强化材料）比如橡胶强化材料，网状孔中都填充单体。当损伤发生时，管道也会裂开。其中的单体就会流出，填充到裂缝中。某些管路会填充更加结实的单体，那么裂缝就会和单体相互混合，使得裂缝得以愈合。独立管道独立管道可以先单独制造，再放入材料中。在制造这些微小的管道的过程中，唯一需要考虑的因素是：管道之间靠得越近，强度就越小，但是恢复能力就越强。将管道放入材料中，此时材料呈现一个类似三明治的结构。三明治结构的强度是非常高的，这使得材料可能作为理想的抗压材料。这种材料的强度并不逊色于管网结构，而且材料表现出良好的恢复性能。内联网络内连网络结构是更加强大的独立管路，但是制造的难度和成本也更加高昂。最基本的方法就是使用物理方法在材料表面划出微小的管道。这些管路的直径大概600-700微米。在二维平面上，这种方法是非常有效的，但是想用这种方法制造出三维管网是基本不可能的。微囊修复这个方法与空心管路方法是类似的。单体被包裹在胶囊中并埋入热固性塑料里。当裂缝遇到胶囊时，胶囊破裂，单体将流出并修复裂缝。关于胶囊修复机制的描述.粉红色圆圈代表单体胶囊，紫色小点代表催化剂。碳纳米管网络通过将线性聚合物溶解在固态的三维环氧树脂基体中，以使它们彼此混溶，其中的线性聚合物在一定温度下是可移动的.当碳纳米管与环氧树脂材料结合后，外加一个直流电场，在传感曲线会有着一个显着的转变表示聚合物被永久性损坏，从而'感应'到一条缝。当碳纳米管的检测到结构内的裂缝，通过热传输加热母体，这样的线性聚合物可以在环氧基体中扩散，并填充裂缝。继而，材料愈合美国科学家研制出奇特新型材料能够自我修复这种材料使用“形状记忆”高分子聚合物，当加热到一定温度后，能恢复到最初的状态。把这种聚合物嵌入光纤网络，既可以作为损坏传感器，也可以当做热能传送系统。可植入的医疗设备，或者可以被压缩到很小一旦进入太空就可以自动扩大为复杂结构的太空材料，又或者机器人刺客。热影像图表明在运行的形状记忆系统。有红外激光的地方是给提供的热能，可以使这种材料变坚固，且能恢复到它原先的形状，加固材料的裂缝和撕裂处。光纤网络传送热能材料受到破坏触发“形状记忆”聚合物形体记忆效应裂缝和撕扯处愈合恢复到材料原始强度的96%复合材料美国能自我修复的新材料2内含有治愈剂的微胶囊受到损伤打开含有治愈剂的微胶囊治愈剂泄漏、填补了裂痕发生化学反应治愈剂固化裂痕填充自愈系统的最困难之处在于测定微胶囊治愈剂壳层的厚度。如果壳层太厚，当裂痕产生时，不会将壳层挤破；壳层太薄，则微胶囊在加工过程中就被破坏了微胶囊对于卫星、火箭发动机、修复器官以及宇宙空间站和桥梁中的一些部件有着重要的用途。产生微小的裂痕材料的强度恢复到其原来的75%“免疫系统”法国研制出能自我修复的新型弹性材料物质这种神奇的新材料是由从植物中提炼出的脂肪酸合成所得，是由众多小分子结构混合成超大分子网络结构而成，一旦这种超大分子网络结构被打破或出现碎裂，其中的小分子就会自动重新回复结构并表现出其原始的弹性。重复实施多次自我修复这种新材料未来的可应用领域将十分广阔。用这种面料做出来的衣服，将是真正的“自动修复服装”，衣服上磨损出的洞或孔都会自动“愈合”，达到了“想破也难”的目的；用在鞋业制造上，则会做出“永不磨损变形”的鞋底。另外，这种新材料还可用来制造玩具，从而使孩子们不会再因心爱玩具的损坏而伤心；甚至，这种新材料还能用来制造发动机的一些零部件，从而增加发动机使用寿命并大幅减少维修率英国发明新材料未来将使飞机自我修复此材料填充有环氧树脂和硬化剂的中空纤维这种材料未来如果用于飞机制造业，将可以使得飞机具备自我修复功能，即使是在飞行过程中它们也同样具备这种神奇的功能。另外，这种材料还可以减轻飞机的质量，进而大幅度节省燃油成本。材料可以修复80%到90%的损伤纤维管束被嵌入飞机结构的任一部分中部分受损纤维管泄漏、封住所有孔洞伤口结痂。凭借在超大化学分子材料研究领域已经取得的成果，特别是这种能“自我修复”新材料的问世，科学家们将可生产出各种能在裂痕或碎裂后“自我修复”并能重新使用的产品。目前，已有两大系列的这类新材料产品准备投放市场，其中技术更为成熟和先进的当属新型合成橡胶类产品，如由植物油提炼出的分子结构聚合碳氢化合物制成耐高温、不变形的超级沥青。另外一大系列的产品是对各种溶媒有强抵抗力的超大分子材料塑料制品。纳米新材料具自动修复特性在图片中，放射性微粒“轰炸”了铜铌纳米级合成材料的界面。一开始，材料受到了损坏，但很快损坏便被遏制住了。