漫畫(huà)人物金剛狼的自我修復(fù)能力已經(jīng)不再是想象。世界各地的研究人員正在研究自愈材料，其用途廣泛，從耐腐蝕涂層到人造肌肉[2]。

在當(dāng)今的現(xiàn)代技術(shù)中可以找到自然界的許多元素。自我修復(fù)材料的類別是受具有固有修復(fù)能力的生物系統(tǒng)啟發(fā)的。有機(jī)體的治愈和重塑方法是由化學(xué)信號(hào)引發(fā)的。這會(huì)觸發(fā)炎癥，然后閉合傷口。因此，該過(guò)程首先在組織水平支持的分子水平上進(jìn)行[1]。在工程材料模仿此功能的情況下，開(kāi)發(fā)了類似的方法。

圖1：修復(fù)的合成和生物學(xué)途徑[3]。

甲自愈性能在工程材料被定義為“有能力修理?yè)p傷和恢復(fù)使用固有的可用資源到系統(tǒng)丟失或退化的特性[3]”。由于磨損和損壞是其應(yīng)用的一部分，所有材料最終都將失敗。自愈材料提供了通往更安全，更持久產(chǎn)品的道路。

自愈材料的種類

2001年，伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Scott White及其同事報(bào)告了第一種自我修復(fù)材料[4]。利用內(nèi)部嵌入的粘合劑進(jìn)行修復(fù)的材料屬于聚合物的材料類別。從那時(shí)起，世界各地許多研究小組開(kāi)發(fā)了自我修復(fù)材料，這些材料采用獨(dú)特的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的功能。這些可以大致分為以下幾種類型：

1. 聚合物：由于它們提供的廣泛性能，它們是使用最廣泛的材料系列之一。但是，在使用過(guò)程中，在正常的老化和磨損下，它們往往會(huì)產(chǎn)生小裂紋。這種磨損導(dǎo)致機(jī)械性能下降，并最終使材料無(wú)用。這導(dǎo)致了自愈聚合物和水凝膠的發(fā)展。

2. 涂層：通常用于保護(hù)表面免受磨損。自愈涂層已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用，日產(chǎn)公司的耐腐蝕涂層就是一個(gè)例子。

3. 陶瓷：結(jié)構(gòu)陶瓷有時(shí)會(huì)出現(xiàn)自修復(fù)現(xiàn)象，以恢復(fù)機(jī)械性能。在陶瓷的情況下，可以使用各種不同的自愈方法。

4. 金屬：金屬的自愈特性不如其他類別的材料發(fā)達(dá)。研究人員目前正在計(jì)算機(jī)上研究該過(guò)程，并開(kāi)發(fā)出可能的自修復(fù)金屬設(shè)計(jì)模型。

自我修復(fù)的方法

可以采用幾種方法在工程材料中實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。這些方法的不同之處在于抓住修復(fù)功能的機(jī)制不同。可以修復(fù)的損壞程度，過(guò)程的可重復(fù)性和恢復(fù)率也取決于所采用方法的類型。自我修復(fù)的方法可以大致分為兩類：

1. 內(nèi)在的自我修復(fù)：當(dāng)不需要外部試劑進(jìn)行材料修復(fù)時(shí)；

2. 外在的自我修復(fù)：需要外來(lái)物質(zhì)觸發(fā)修復(fù)過(guò)程時(shí)。

在隨后的部分中的討論將集中在自愈聚合物和水凝膠上。

內(nèi)在的自我修復(fù)

聚合物有時(shí)在基質(zhì)中具有固有的可逆鍵。當(dāng)材料受損時(shí)，這些會(huì)觸發(fā)愈合過(guò)程，這種方法稱為內(nèi)在自愈[3]。可以通過(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn)：

• 熱可逆反應(yīng)

• 離子鍵偶聯(lián)

• 分子擴(kuò)散

圖3：通過(guò)不同方法實(shí)現(xiàn)的內(nèi)在自我修復(fù)[3]。

外在自我修復(fù)

在外在的自我修復(fù)方法中，使用微囊或血管系統(tǒng)將治療劑從聚合物基質(zhì)中分離出來(lái)。當(dāng)材料損壞時(shí)，這些物質(zhì)被釋放，以促進(jìn)對(duì)象的愈合和恢復(fù)特性[3]。這些系統(tǒng)可以細(xì)分為以下類別：

1.基于膠囊的自我修復(fù)：在某些聚合物中，治療劑包裝在離散的膠囊中。當(dāng)材料損壞時(shí)，膠囊中的內(nèi)容物被釋放，愈合過(guò)程開(kāi)始。由于這些膠囊的生產(chǎn)易于工業(yè)化，因此可以使用許多封裝技術(shù)。為了使材料愈合到可接受的水平，應(yīng)提供足夠的愈合劑來(lái)填充裂縫。膠囊的重量分?jǐn)?shù)和尺寸是根據(jù)材料可能會(huì)經(jīng)歷的近似裂紋尺寸確定的。基于膠囊的自我修復(fù)中涉及的其他關(guān)鍵因素包括：

• 愈合劑與基質(zhì)之間的粘附力

• 愈合劑的濃度

• 釋放速率和聚合速率

• 膠囊殼厚度

圖4：基于膠囊的自愈材料的示意圖[3]。

2.血管自我修復(fù)：通過(guò)這種方法，將治療劑存儲(chǔ)在相互連接的毛細(xì)管或空心通道網(wǎng)絡(luò)中。這些毛細(xì)血管通常是脆性的，損壞會(huì)迫使治療劑脫離。使治愈劑在母體材料的工作溫度附近流動(dòng)是必要條件。真空輔助技術(shù)用于用愈合劑填充互連的血管系統(tǒng)。幾個(gè)參數(shù)，如管材料，厚度，和空間分布是關(guān)鍵的，以確保高的愈合效率。

圖5：基于血管的自愈材料的示意圖[3]。

評(píng)估愈合情況

開(kāi)發(fā)自我修復(fù)材料的主要目的是克服材料在其正常運(yùn)行過(guò)程中遭受的損壞。這可以通過(guò)填充損壞的體積并重新形成斷裂的鍵以恢復(fù)性能，特別是機(jī)械性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

• 治愈效率的量化：許多參數(shù)可用于量化治愈的有效性。材料特性（主要是機(jī)械特性）的變化比率是最常用的因素之一。

• 母體材料的機(jī)械性能通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）和原子力顯微鏡（AFM）等技術(shù)進(jìn)行表征。試樣斷裂，并進(jìn)一步表征和記錄機(jī)械性能。然后將這些用于量化材料的愈合效率。

應(yīng)用及未來(lái)前景

可以輕松想象自愈材料的各種應(yīng)用。世界各地的工程師和設(shè)計(jì)師都逐漸意識(shí)到它們的好處，并開(kāi)始將它們用于各種應(yīng)用。它們目前用于從日產(chǎn)的耐刮擦涂料到自修復(fù)混凝土的各種應(yīng)用。

受成骨細(xì)胞促進(jìn)新骨形成的啟發(fā)，代爾夫特理工大學(xué)的荷蘭科學(xué)家開(kāi)發(fā)了自愈混凝土[5]。他們用能夠產(chǎn)生石灰石的細(xì)菌的膠囊包埋混凝土。裂紋的產(chǎn)生使細(xì)菌暴露于空氣和濕氣中，繼而開(kāi)始產(chǎn)生方解石。這甚至可以密封微裂紋，從而防止其可能的增長(zhǎng)。這只是材料的自愈特性可以解決一個(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題的眾多例子之一。

這些材料的潛在下一代應(yīng)用是無(wú)限的。它們可以在機(jī)械故障后用于機(jī)器人的自我修復(fù)，延長(zhǎng)電池壽命等。盡管如此，在我們將這些挑戰(zhàn)用于此類高級(jí)應(yīng)用程序之前，仍然存在許多挑戰(zhàn)。隨著對(duì)這一領(lǐng)域知識(shí)的不斷增長(zhǎng)，有一天我們甚至可能會(huì)開(kāi)發(fā)出一種自我修復(fù)的材料，其功能就像虛構(gòu)的漫畫(huà)人物金剛狼一樣。