自修复材料：“破镜能重圆”

自修复材料示意图。

　　有道是“破镜不能重圆”。然而，随着自修复材料的出现，这样的“不能”变为可能：玻璃破了可以恢复它的完整性，飞机机身被撕裂也能得以完美修复……

　　那么，何为自修复材料?其自修复的奥秘何在?当前自修复材料有哪些具体应用?今天，让我们来探寻这些问题的答案。

　　认识一下自修复材料

　　自古以来，人们的生产生活都离不开各种各样的材料。由不同材料制成的物品，在使用过程中会不可避免地产生破损。虽然人们已有许多行之有效的修补办法，如金属可以焊接、塑料可以黏合等，但这样的修补费时费力，且难以完全恢复材料的外观和性能。正因如此，近年来，科学家们提出了“自修复材料”的概念。

　　自修复材料，顾名思义，就是在含有某种材料的物品出现损伤时，不需或者只需很少的干预，破损处就会自动修复。这样，在延长物品寿命、确保其使用安全性和完整性的同时，也降低了维护成本。

　　对自修复材料的研究，始于上世纪90年代的建筑混凝土领域。但直到2001年，世界电化学家、美国人怀特等人在《自然》杂志发文，将填充修复剂的微胶囊埋到含催化剂的环氧树脂中，才开发出了聚合物自修复材料，相关研究逐步引起国际上的广泛关注。

　　看看自修复的奥秘

　　人的皮肤受伤流血后，伤口会自动愈合。这主要依靠血液中血小板的凝聚及时为伤口止血，继而实现伤口愈合。受此启发，科学家们研制出一种仿生材料，模仿人类“伤口愈合”的原理，通过在材料内部加入一些修复剂、黏合剂等修补物质，以达到自修复的目的。

　　具体来说，自修复材料按照修复机理的不同，分为两大类：一类是外援型的。主要通过在材料表面或者内部加入一些功能性物质来实现自修复。这些功能性物质，主要是装有修复剂的微胶囊或液芯纤维。另一类是本征型的。主要通过加热等方式，向材料提供能量来实现自修复。

　　——微胶囊自修复方式。把注入修复剂的微胶囊和催化剂一起均匀地混合到材料中，当材料开裂或塑性形变时，微胶囊会同时受损开裂，修复剂被释放，及时填补裂纹。再与材料中的催化剂结合，产生一定的聚合反应而固化，使裂纹愈合完成自修复。由于微胶囊裂开后，修复剂被完全释放，所以微胶囊的修复作用是一次性的。

　　——液芯纤维自修复方式。为实现多次修复功能，科学家模仿人的血管网络，用彼此联通的网状液芯纤维取代分散的微胶囊，预先把它埋在材料的基体里面。与微胶囊修复机理类似，当材料发生损伤时，损伤位置的液芯纤维破裂，纤维内修复剂流出，对损伤的位置进行自修复。纤维裂缝修复后，修复剂会被封装隔开，以便于随后的再次或多次修复。

　　——本征型自修复方式。前两种都是外援型自修复方法，当修复剂消耗完后，材料也就失去了自我修复能力，且微胶囊或液芯纤维留下的空隙也可能造成材料新的缺陷。为解决这一问题，本征型自修复材料应运而生。它通过加热、光照等方式，向材料提供能量，然后借助材料分子化学键的可逆特性，实现弱键的重新修复。这类自修复材料，具有修复条件温和、可重复修复等优点。

　　自修复材料的广泛应用

　　经过20余年发展，自修复材料的应用已拓展到多个领域。

　　——混凝土的自修复。混凝土因其抗压强度高、耐久性好和成本低等特点，成为应用最广泛的建筑工程材料之一。但在使用过程中，会产生裂纹或局部破损，轻则影响性能，重则危及安全。传统的修补方法操作复杂、成本高昂，混凝土裂纹自修复技术的应用，很好地解决了这一问题。

　　目前研究的混凝土裂纹自修复技术主要有：结晶沉淀法、渗透结晶法、微胶囊技术、液芯纤维法、微生物诱导碳酸盐沉淀技术、形状记忆合金法等。其中，微生物诱导碳酸盐沉淀技术最理想：它使用由细菌孢子和乳酸钙组成的修复剂，嵌入混凝土基体中。当基体出现裂纹时，裂缝中氧气和水进入，微生物被激活，细菌将乳酸钙养分转化为碳酸钙，以填补裂纹、修复基体。

　　目前，混凝土裂纹自修复技术尚处于尝试阶段。随着研究的深入，这一技术或将得到广泛应用。

　　——陶瓷的自修复。陶瓷比镍和钛合金更轻、更耐热，是航空发动机的理想材料。但陶瓷有个明显缺点，就是脆性大、易碎。为解决这一问题，各国展开了深入研究。

　　2018年，日本国家材料科学研究所和横滨国立大学组成联合研究小组，开发出一种能自行修复裂纹的陶瓷材料。研究人员把碳化硅添加到由氧化铝制成的陶瓷材料中，当陶瓷在高温下破裂时，空气中的氧气会通过裂缝进入，并与陶瓷材料中的碳化硅反应，形成二氧化硅。陶瓷的基础材料氧化铝随之和二氧化硅反应，形成填缝材料，然后填料结晶，恢复裂纹部分的原始强度。这种新型陶瓷材料，如果用在航空器上，飞行中一旦产生裂缝，在飞机着陆前就可完成自修复，大大提升了飞行的安全性。

　　——玻璃的自修复。玻璃的种类多样、性能优越，被广泛应用于建筑、日用、艺术、仪表等领域。但玻璃显而易见的缺点是弹性差、易碎。2017年，日本东京大学的研究团队发明了一种可自修复的玻璃。这种玻璃与主要成分是二氧化硅的普通无机玻璃不同，它的主要成分是一种半透明的有机高分子化合物聚醚硫脲，携带氢键硫脲单元。试验中，这种玻璃在碎裂后，只需用力挤压两片玻璃断面30秒钟，就能恢复原状，几个小时后实现自修复。可以想象，如果将这项技术应用于手机屏，那么我们的手机屏以后就不怕摔了。

　　——金属的自修复。金属材料的应用广泛，在机电产品材料中用量占90%以上，因此研究其自修复功能的意义重大。当前的研究主要集中在开发具有裂纹和蠕变(固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象)损伤修复功能的金属自修复材料上。主要包括埋入形状记忆合金或微胶囊的金属基复合材料、析出相自修复材料、共晶自修复材料等。

　　形状记忆合金自修复材料，借助埋植在金属内部的形状记忆合金丝，在受热后，形状复原过程中产生的恢复应力使裂纹闭合，以修复损伤。

　　微胶囊自修复材料，修复机制与外援型聚合物自修复材料相似，在金属内部埋植氧化物微胶囊或纤维，通过高温加热，使微胶囊内的合金熔化流出并填充裂纹，从而实现损伤修复。

　　——导电材料的自修复。导电材料在成型加工和使用过程中，会不可避免地产生微裂纹。这些微裂纹会进一步引发宏观裂纹，导致材料的力学和电学性能降低。现在，科学家已把关注点转向自修复导电材料的研究。但对于兼具高导电性、室温自修复和良好机械性能的自修复导电材料来说，仍是一个挑战。

　　目前研究的自修复导电材料，包括外援型和本征型两大类。由于自修复导电材料兼具导电性和自愈性的优点，在未来生产生活中，将广泛应用于导电涂料、储能装置、电子皮肤、黏合剂、超级电容器和传感器等方面。

　　除了外援型和本征型自修复材料以外，还有一些通过其他方法达到自修复目的的材料，比如自修复轮胎等。近年来，国内外不少轮胎厂商不约而同地开始研究轮胎自修复技术，并陆续推出了自修复轮胎。例如有一种自修复技术，是通过在轮胎内喷涂一层高分子记忆橡胶，使直径在6毫米内、长度在8厘米内的尖锐物戳破轮胎胎面后，会立刻被包裹，拔出后则自动堵住漏洞。通过测试表明，经过自修复的轮胎，使用性能与正常轮胎无异。

　　随着自修复技术的快速发展，各种各样的自修复材料必将在建筑、汽车、航天、航空、电子等行业领域得到更广泛应用，对节约资源、实现可持续发展意义重大。