新型智能材料

1、試驗(yàn)名稱:新型智能材料指導(dǎo)老師:學(xué) 院：建筑與城市規(guī)劃學(xué)院專 業(yè)：風(fēng)景園林班級班別:2022級1班同學(xué)姓名：梁摯呈學(xué) 號：3114009992 論文選題： 自修復(fù)復(fù)合材料的進(jìn)展智能材料是指能仿照生命系統(tǒng)，同時具有感知和激勵雙重功能的材料。自診斷與自修復(fù) 是智能材料的重要功能。智能自修復(fù)材料的討論是一門新興的綜合科學(xué)技術(shù)。自修復(fù)又稱自愈合，是生物的重要 特征之一，人們把產(chǎn)生缺陷時在無外界作用的狀況下，材料本身自我推斷、掌握和恢復(fù)的力 量稱為自修復(fù)。材料在使用過程中不行避開地會產(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)，特殊是自修復(fù)是一個現(xiàn)

2、實(shí)而重要 的問題。目前，具有自診斷、自修復(fù)功能的智能自修復(fù)材料已成為新材料領(lǐng)域的討論重點(diǎn)之一， 自修復(fù)的核心是能量補(bǔ)給和物質(zhì)補(bǔ)給，其過程由生長活性因子來完成。仿照生物體損傷愈合 的原理，使得復(fù)合材料對內(nèi)部或者外部損傷能夠進(jìn)行自修復(fù)自愈合，從而消退隱患，增加材 料的機(jī)械強(qiáng)度，延長使用壽命，在軍工、航天、電子、仿生等領(lǐng)域顯得尤為重要。智能自修復(fù)材料的自修復(fù)原理有分子間相互作用的修復(fù)機(jī)理、內(nèi)置膠囊仿生自修復(fù)機(jī)理、 液芯纖維自修復(fù)機(jī)理、熱可逆交聯(lián)反響修復(fù)機(jī)理。熱可逆交聯(lián)反響修復(fù)機(jī)理是目前最新的技術(shù)。近年來，消失了一種高交聯(lián)度的真正具有 自修復(fù)力量的透亮 聚合物材料,這種材料只要施以簡潔的熱處理就可以在

3、材料需 要修補(bǔ)的地方形成共價鍵，并能屢次對裂紋進(jìn)行修復(fù)而不需添加額外的單體。文獻(xiàn)以吠喃多 聚體和馬來酰亞胺多聚體進(jìn)行Diels Alder (DA)熱可逆共聚，形成的大分子網(wǎng)絡(luò)直接由具 有可逆性的交聯(lián)共價鍵相連，可以通過DA逆反響實(shí)現(xiàn)熱的可逆性。這種材料的力學(xué)性能可 與一般的樹脂如環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯材料相媲美。對缺口沖擊產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行簡潔的熱處 理后，界面處僅能觀看到微小的不完善，修復(fù)效率可到達(dá)57%。該理論還在完善之中，但這 種在聚合物網(wǎng)絡(luò)中引入熱可逆共價鍵以實(shí)現(xiàn)修復(fù)作用的方法為我們探求材料的修復(fù)之路供 應(yīng)了新的思路。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供應(yīng)能量，使

4、其發(fā) 生結(jié)晶、在外表形成膜或產(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)局部散或復(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?，F(xiàn)有的自修復(fù)材料有陶瓷混凝土基自修復(fù)復(fù)合材料、聚合物基自修復(fù)復(fù)合材料、金屬基 自修復(fù)復(fù)合材料、混合磨損自修復(fù)材料。一、陶瓷混凝土基自修復(fù)復(fù)合材料，以混凝土材料為基體，用內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊、 空心玻璃纖維或液芯光纖等埋植在其中，當(dāng)混凝土材料受到損傷時，局部空心膠囊、空心玻 璃纖維或液芯光纖裂開，粘結(jié)劑流到損傷處，使混凝土裂縫重新愈合。這一技術(shù)被廣泛地應(yīng) 用在大路、地基、橋墩等建筑物中。Day CM等將裝入化學(xué)藥品的多孔玻璃纖維放置在混凝

5、 土中，假如混凝土因地震或其他應(yīng)力而發(fā)生裂開，空心玻璃纖維就會裂開，釋放出一種粘合 劑阻擋進(jìn)一步的裂開。三橋博三等人用水玻璃和環(huán)氧樹脂等材料作為修復(fù)劑，將其注人空心 玻璃纖維并摻入混凝土材料中，測試不同修復(fù)時間下，不同修復(fù)劑在開裂修復(fù)后，混凝土材 料的強(qiáng)度回復(fù)率。趙曉鵬等以水泥為基體，加鋼絲短纖維組成復(fù)合材料，同時嵌入玻璃空心 纖維，在其內(nèi)部注入縮醛高分子溶液，分層澆注，固化后澆水養(yǎng)護(hù)4天。在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn) 行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，當(dāng)基體消失裂紋即停止加力，覺察有局部纖維管裂開，修復(fù)劑流出，經(jīng)一 段時間后，裂口處可重新粘合。影響混凝土材料的修復(fù)過程及修復(fù)效果的主要因素有：（1） 纖維管與基體材料的性能

6、匹配?；舅Ｇ笫窃诨w材料消失裂紋時，纖維管也要適時裂開; （2）纖維管的數(shù)量。太少不能完全修復(fù)，太多那么可能對材料本身的宏觀性能帶來不良影響； （3）修復(fù)劑的粘結(jié)強(qiáng)度。它打算著修復(fù)后的材料強(qiáng)度與原始材料強(qiáng)度的比值。止匕外，粘結(jié) 質(zhì)量、粘結(jié)劑的滲透效果、管內(nèi)壓力也對自修復(fù)作用產(chǎn)生很大影響。另一方面，近年來有關(guān)陶/炭復(fù)合材料抗氧化自修復(fù)行為的討論也是國內(nèi)外討論的 熱點(diǎn)。這種高溫自愈合抗氧化性是指彌散在復(fù)合材料中的炭化物、硼化物等陶瓷粒子在高溫 柔氧化性氣氛中能夠氧化成膜以封閉炭材料的外表，起到自我保護(hù)的作用，從而在很大程度 上抑制或完全阻擋氧化反響的發(fā)生，給予陶/炭復(fù)合材料很好的高溫抗氧化性能。

7、二、聚合物基自修復(fù)復(fù)合材料，目前，隨著聚合物及其復(fù)合材料的力學(xué)性能的大大提高， 其已從日用品材料進(jìn)入結(jié)構(gòu)和功能材料的行列，但在使用過程中及四周環(huán)境的作用下，聚合 物材料不行避開地會產(chǎn)生局部損傷和微裂紋，導(dǎo)致力學(xué)性能下降或功能喪失。因此，對微裂 紋的早期覺察和修復(fù)是一個特別實(shí)際的問題。肉眼能覺察的分層或由沖擊所導(dǎo)致的宏觀裂紋 不難覺察，并能通過手工修復(fù)。超聲波和射線照相術(shù)等無損檢測是常用的觀看內(nèi)部損傷的技 術(shù)手段。但由于這些技術(shù)的局限性，加上聚合物的裂紋往往在本體深處消失，如基體的微開 裂等微觀范圍的損傷就很難被覺察。因此，討論聚合物材料的仿生修復(fù)對聚合物材料在結(jié)構(gòu) 構(gòu)件和高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用尤為重

8、要，近年來在Science和Nature期刊刊登的此類文章也不 少。運(yùn)用埋植技術(shù)把裝有化學(xué)藥品的空心纖維埋植在聚合物基體中，當(dāng)材料受到外部的碰撞 時，材料內(nèi)部應(yīng)力轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生裂紋，這種空心纖維裂開后釋放出粘連劑以修補(bǔ)裂紋。Motuku、 Bleay等報道過類似的自修復(fù)技術(shù)。S R White等報道了一種新型的可自修復(fù)的聚合物基復(fù) 合材料，將環(huán)戊二烯二聚體包裹在服醛樹脂制成的微膠囊里，和Grubbs催化劑一起分散在 環(huán)氧基體中，當(dāng)材料產(chǎn)生裂縫時，微膠囊裂開，環(huán)戊二烯二聚體由于裂縫產(chǎn)生的毛細(xì)管虹吸 作用快速滲入銀紋，遇到Grubbs催化劑產(chǎn)生交聯(lián)聚合以到達(dá)修復(fù)的目的。試驗(yàn)測試說明， 這種復(fù)合材料有7

9、5%的修復(fù)率。該體系將埋植技術(shù)、微膠囊技術(shù)、烯燃聚合、高分子多組分 體系等有機(jī)地結(jié)合在一起，到達(dá)材料深層自修復(fù)的目的。在國內(nèi)，楊紅、梁大開等進(jìn)行了空 心光纖自診斷、自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的討論。以下以微膠囊修復(fù)劑為標(biāo)準(zhǔn)分四個類別介紹近幾年自修復(fù)微膠囊的進(jìn)展?fàn)顩r。1、DCPD型微膠囊自修復(fù)體系，White等選擇DCPD作為修復(fù)劑并將其微膠囊化，把 2.5wt.%微膠囊和10wt.%Grubbs催化劑埋植于環(huán)氧樹脂基體中，采納雙懸臂梁拉伸試件修復(fù) 前后斷裂載荷來評價材料的修復(fù)效率，即KIChealed/KICvirgin,其中n是修復(fù)效率。該試 驗(yàn)的修復(fù)效率由公式計算得75%左右。DCPD具有價格低廉、易

10、于膠囊化、與Grubbs催化 劑作用反響速度快、自修復(fù)效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，以DCPD為芯材的微膠囊始終是討論的熱 點(diǎn)。雖然DCPD是一種良好的修復(fù)劑，但它有刺激性氣味大、有毒、引發(fā)DCPD聚合的催 化劑如Grubbs價格貴等諸多問題。因此，國內(nèi)外討論學(xué)者始終在查找可替代的修復(fù)劑。2、環(huán)氧樹脂型微膠囊自修復(fù)體系，相比DCPD型微膠囊自修復(fù)體系，環(huán)氧樹脂型微膠 囊體系具有更多的優(yōu)點(diǎn)。環(huán)氧樹脂型微膠囊與基體材料有更好的滲透性和相容性，且固化劑 可選擇的種類較多，其中包括陽離子催化劑型固化劑、陰離子催化劑型固化劑、多胺型固化 劑以及聚硫醇型等固化劑。3、硅油型微膠囊自修復(fù)體系，在有機(jī)涂料中，有機(jī)硅涂料

11、具有較好的耐熱和耐化學(xué)腐 蝕等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于要求高且難以修理、保養(yǎng)的材料中，因此討論具有自修復(fù)功能 的有機(jī)硅涂料具有重要意義。邢瑞英等采納原位聚合“兩步法”勝利合成了胭醛樹脂包覆乙烯基硅油（DY-V401-310 硅油）的具有自修復(fù)功能的新型微膠囊。自修復(fù)的原理是采用高沸點(diǎn)有機(jī)硅分子鏈上乙烯基 的反響活性，添加光敏劑，微膠囊裂開后，溢出的囊芯材料在紫外環(huán)境下實(shí)現(xiàn)固化，從而完 成有機(jī)硅涂層的自修復(fù)。但是由于此方法所制備的微膠囊產(chǎn)率低，粒徑大，限制了其在自修 復(fù)粘接涂層中的應(yīng)用，艾秋實(shí)等又采納原位聚合“一步法”制備了聚版甲醛/乙烯基硅油微膠 囊。這種方法用時短、產(chǎn)率高且可操作性較強(qiáng)。魏文政

12、等制備了胭醛樹脂包覆KH560硅烷偶聯(lián)劑微膠囊，KH560具有貯存穩(wěn)定，黏度 低等優(yōu)點(diǎn)，在催化劑的作用下可與羥基和氨基快速發(fā)生反響。試驗(yàn)討論了溫度、攪拌速度和 多元胺種類對微膠囊的形貌、粒徑大小、分布狀況及囊壁強(qiáng)度等的影響。Huang等將可水解的有機(jī)硅烷1H、1H、2H、2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（POTS）作為 修復(fù)劑，在水包油乳液中通過原位聚合反響制得服醛樹脂包覆的微膠囊，并用于耐腐蝕的聚 合物涂層中。當(dāng)裂紋產(chǎn)生時，微膠囊裂開，POTS在潮濕環(huán)境下就可發(fā)生水解反響，形成網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)沉積在裂紋處。在氯化鈉溶液中進(jìn)行的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果證明引入微膠囊的涂層具有良好 的耐腐蝕性能。4、其他微膠囊型自修復(fù)

13、體系，干性油中由于不飽和雙鍵的存在，可在空氣中氧化生成 一層致密的固體膜，不飽和程度越高，其聚合反響速率越快。桐油作為干性油之一，具有自 修復(fù)功能。趙鵬以桐油為芯材，胭醛樹脂為壁材，采納原位聚合法合成了微膠囊。將微膠囊 埋植入環(huán)氧樹脂金屬防腐涂料中，并進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果說明，當(dāng)微膠囊芯壁比為2 ： 1、用量占涂料用量的10%時，微膠囊的耐腐蝕性能最好，自修復(fù)效果明顯。亞麻籽油與桐油的自修復(fù)原理相同。Jadhav等采納苯酚-甲醛作為壁材，對亞麻子油進(jìn) 行包覆，將制得的微膠囊用于材料的防腐和自修復(fù)中。Suryanarayana等制得胭醛樹脂/亞麻 籽油微膠囊，并用于自修復(fù)涂層中。Yang等以硅膠

14、為壁材，分別通過界面自聚集過程和溶液-膠體反響對甲基丙烯酸酯（修 復(fù)劑）和三乙基硼烷（引發(fā)劑）進(jìn)行包覆，形成具有自修復(fù)功能的體系。Su等合成出用于瀝青中具有自修復(fù)功能的微膠囊，以延緩瀝青的老化。該微膠囊需具 有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，并通過測試其外表性能來確定在瀝青中所進(jìn)行的交聯(lián)反響。 以被甲醇修飾的三聚富胺-甲醛樹脂作為壁材，一種粘稠的具有芳香氣味的油作為修復(fù)劑， 合成了用于瀝青自修復(fù)的微膠囊。試驗(yàn)結(jié)果說明，該微膠囊在200以下在瀝青中具有良 好的修復(fù)性能。壁材和瀝青之間形成化學(xué)鍵，在沒有裂紋產(chǎn)生時，微膠囊具有優(yōu)良的柔韌性。 微膠囊在瀝青方面的應(yīng)用目前的討論較少，有待于進(jìn)一步討論。微膠囊型

15、自修復(fù)與傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)相比，具有不依靠外界操作即可實(shí)現(xiàn)智能修復(fù)的優(yōu)勢, 在復(fù)合材料自修復(fù)領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價值。然而該領(lǐng)域的討論還處于初級階段，不 能廣泛地應(yīng)用于諸多材料中，但是可以預(yù)料，隨著討論的深化，自修復(fù)技術(shù)必將對材料的使 用壽命和牢靠性的提高起到樂觀的推動作用。三、金屬基自修復(fù)復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料由于金屬基體特有的屬性，一般都是采納 能量補(bǔ)給的方式進(jìn)行修復(fù)。比方高溫保溫的方法可以對基體內(nèi)部的缺陷進(jìn)行修復(fù)，嚴(yán)格地說 這并不是自修復(fù)的過程，由于它需要外界因素的作用才可以進(jìn)行修復(fù)。因此對金屬基復(fù)合材 料的自修復(fù)并沒有很好的方法，采納埋植技術(shù)進(jìn)行的自修復(fù)少有報道，只是郭義等仿照生物

16、體損傷愈合的原理，對金屬基復(fù)合材料內(nèi)部纖維開裂、分別和折斷損傷的愈合進(jìn)行了嘗試。四、混合磨損自修復(fù)材料，混合磨損自修復(fù)材料又稱為金屬磨損自修復(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)成的簡單組分超細(xì)粉體組合材料，組分的 粒度為0.110um,可以添加到各種類型的潤滑油或潤滑脂中使用。以潤滑油或潤滑脂作 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。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)原始外形，而且還可以優(yōu)化協(xié)作間隙，有利于降低摩擦振動，削減噪 聲，節(jié)省能源，實(shí)現(xiàn)對零件摩擦外表幾何外形的修復(fù)和協(xié)作間隙的優(yōu)化。而且，它不與油品 發(fā)生化學(xué)反響，不轉(zhuǎn)變油的粘度和

17、性質(zhì)，也無毒副作用，是摩擦學(xué)領(lǐng)域的一枝新秀。據(jù)我了解，在2022年，美國和日本的討論人員合作，共同開發(fā)出一種聚合物，經(jīng)紫外 線照耀，不僅能屢次自我修復(fù)，還可讓完全分別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。碳原子和三個硫原子結(jié)合在一起，其中的兩個硫原子的其次個鍵位又跟其他 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)：在紫外光照耀下能夠重組。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）。 這種根特別活潑，很簡潔跟其他的三硫代碳酸鹽發(fā)生反響形成新的碳-硫鍵，打破其他分子 鍵同時又產(chǎn)生更多更自由的根。這種鏈?zhǔn)椒错憰冀K進(jìn)行，直到兩個根再次相互反響才停止。 試驗(yàn)中，討論人員將聚合材料浸入液體內(nèi)，或切成大塊兒，反響都能順當(dāng)進(jìn)行。將切開的邊 緣緊密地壓在一起，用紫外線照耀，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(jìn)行照耀，也能融合成一片完整的材料。現(xiàn)在，自修復(fù)材料向智能材料的邁進(jìn)，又有了新的進(jìn)展。最近，美國討論人員研制出一 種新材料，不僅能感知組織材料中的損傷，比方纖維增加復(fù)合材料中的斷裂，而且能修復(fù)它。 他們的討論旨在開發(fā)“自適應(yīng)結(jié)構(gòu)”，模擬生物系統(tǒng)的力量，