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隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高分子材料因輕便、耐用等優(yōu)勢在工業(yè)建設(shè)領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。但是高分子材料在加工或者長期使用中，不免受到外界損傷，高分子材料的內(nèi)部或者表面會產(chǎn)生裂紋，這些裂紋會成為影響材料尺寸穩(wěn)定性的潛在因素，如果得不到有效修復(fù)，裂紋擴(kuò)展必定導(dǎo)致力學(xué)性能下降，材料使用壽命縮短，并且增加安全隱患。所以，若高分子材料具備自我修復(fù)的能力，那么高分子材料存在的這些微裂縫問題就能夠極大程度避免，能極大地增加材料的使用壽命。

高分子材料如何自修復(fù)？

自修復(fù)機(jī)理來源于生物體具有的自動感知、自動響應(yīng)和自愈合損傷的特性，但是目前存合成高分子材料中完全模擬并實(shí)現(xiàn)生物體自修復(fù)功能是不現(xiàn)實(shí)的。目前研究工作大多集中在利用復(fù)合材料技術(shù)將感知元件和修復(fù)元件以膠囊或空心纖維的形式埋置在高分子基體中，制得具有一定自修復(fù)功能的高分子復(fù)合材料。還有就是通過向體系提供能量，使材料本身發(fā)生共價(jià)或非共價(jià)作用實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。

1、微膠囊體系自修復(fù)

微膠囊體系自修復(fù)材料是第一代自修復(fù)高分子材料，其修復(fù)機(jī)制是通過在聚合物基體中埋置修復(fù)劑微膠囊或含修復(fù)劑的液芯纖維，當(dāng)聚合物基體受外力影響而形成裂紋時(shí)，會引起微膠囊或液芯纖維的破裂而釋放修復(fù)劑熱固性樹脂和固化劑，借助于熱同性樹脂修復(fù)劑的固化交聯(lián)反應(yīng)將裂紋“焊接”起來。該方法最主要的問題是膠囊需要做到足夠小，以至于其能進(jìn)入斷裂處，這就限制了其能恢復(fù)的斷裂處。另外一個(gè)問題是，該膠囊只能愈合傷口一次，如果材料再次發(fā)生斷裂，則其不能再發(fā)生作用。

英國《每日郵報(bào)》網(wǎng)站6月9日發(fā)表題為《飛機(jī)可能很快將擁有“自愈”機(jī)翼：突破性材料可像血液一樣凝固，幫助翼面進(jìn)行自我修復(fù)》的報(bào)道，報(bào)道中所提及的自愈材料就是將空心的微球體加入碳纖維復(fù)合材料中，這些材料受到撞擊時(shí)會破裂，釋放出一種液體修復(fù)劑，這種修復(fù)劑會滲入破損的裂縫中，從而修復(fù)損傷。

2、微血管自修復(fù)體系

人體有一個(gè)非常神奇的血管系統(tǒng)，它可以運(yùn)送血液和氧氣，以運(yùn)送能量以及進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)損傷發(fā)生時(shí)，我們的血液系統(tǒng)僅僅需要運(yùn)送額外的資源到需要的地方就可以了?？茖W(xué)家發(fā)明的微血管自愈合材料具有相同的工作原理。一些材料具有非常細(xì)小的血管，可以運(yùn)送愈合材料。

當(dāng)聚合物內(nèi)部某處出現(xiàn)裂紋時(shí)，會將周圍的空心纖維切斷，預(yù)先灌注在空心纖維中的液體修復(fù)劑在毛細(xì)作用下流出匯集在裂紋處，液體修復(fù)劑固化后將裂紋修補(bǔ)好。當(dāng)裂紋較大，周圍空心纖維中修復(fù)劑不足時(shí)，遠(yuǎn)處的修復(fù)劑會借助于相互貫通的孔道補(bǔ)充到裂紋處；當(dāng)修補(bǔ)好的裂紋處再次出現(xiàn)裂紋時(shí)，仍然可以進(jìn)行一定程度的修復(fù)。

以DCPD作為修復(fù)試劑裝載在微血管中，在一維條狀網(wǎng)絡(luò)中，樣品能實(shí)現(xiàn)7次耗盡、補(bǔ)充、再耗盡的修復(fù)循環(huán)。Sottos等發(fā)展的二組分微血管網(wǎng)絡(luò)體系，將自修復(fù)過程的循環(huán)次數(shù)提高到了16次。2009年，Lewis等使用直寫組裝印刷技術(shù)成功構(gòu)筑了二維的縱橫交叉網(wǎng)絡(luò)，自修復(fù)的循環(huán)次數(shù)由此達(dá)到了30次。但是此方法修復(fù)速度較慢，由此產(chǎn)生的問題是如果斷裂的速度比愈合的速度快，那么這種愈合方式則沒有實(shí)際效果；但是如果斷裂發(fā)生的時(shí)間特別長，那么這種方式則是非常好的選擇。

3、形狀記憶高分子材料自修復(fù)體系

形狀記憶高分子材料在加熱等能量作用下會恢復(fù)到記憶形狀，所以在材料中添加類似光纖電纜等材料。當(dāng)材料斷裂時(shí)，光纖管道也會相應(yīng)發(fā)生斷裂，將激光和熱能運(yùn)送到斷裂點(diǎn)，從而修復(fù)損傷?；蛟S你會說光線的引入會是材料變得更脆弱，事實(shí)上它們能使材料得到加強(qiáng)。

4、基于可逆共價(jià)鍵的自修復(fù)

如果高分子中某些共價(jià)鍵在施加一定外界刺激(如光照、加熱等)時(shí)可以斷裂，而撤銷外界刺激后義可恢復(fù)成鍵，這樣高分子便具有了內(nèi)在的自修復(fù)裂紋的能力：損傷發(fā)生時(shí)，施加光照、加熱或電壓等促使損傷處的高分子鏈斷裂成單體或預(yù)聚態(tài)，從而使損傷裂紋兩側(cè)分子具有足夠的擴(kuò)散活動性耐纏結(jié)在一起；撤銷光照或加熱等外界條件，斷裂的高分子鏈重新聚合起來。歸納起來可以利用的可逆共價(jià)鍵體系有：①基于Diels-Alder[4+2]環(huán)加成可逆反應(yīng)，如馬來酰業(yè)胺一呋喃基高分子、環(huán)戊二烯基高分子等；②基于光二聚[2+2]電環(huán)化可逆反應(yīng)，如含古馬隆高分子，含蒽高分子等；③基于Redox可逆氧化還原反應(yīng)。如含硫醇高分子體系；④基于自由基交換反應(yīng)，如含N-O鍵高分子。

5、超分子相互作用

由非共價(jià)鍵構(gòu)筑的超分子體系具有一定的可逆性，可以利用其作為自修復(fù)機(jī)制。目前已研究的基于非共價(jià)鍵的自修復(fù)高分子材料主要有：①利用氫鍵的高分子體系；②基于金屬配體配位的高分子；③主客體高分子；④離子聚合物；⑤可逆共價(jià)鍵一可逆非共價(jià)鍵復(fù)合體系。

當(dāng)聚合物鏈上具有多個(gè)可以形成氫鍵的基團(tuán)時(shí)，在一定條件下會聚集成可逆交聯(lián)態(tài)的超分子結(jié)構(gòu)。高分子鏈上的氫鍵易于在低溫下形成．而在升高溫度時(shí)氫鍵會斷裂，這樣可以用來愈合高分子內(nèi)的微裂紋。利用金屬配位反應(yīng)是構(gòu)筑可逆超分子聚合物體系的常見方法。

6、活性聚合導(dǎo)致的自修復(fù)

活性聚備物具有可以控制的再聚合活性，在一定條件下處于休眠狀態(tài)，而在外界條件改變時(shí)會再次啟動聚合反應(yīng)，因此作為高分子自修復(fù)機(jī)制，活性自由基聚合物是很適合的。分子水平的修復(fù)過程是由高分子自由基的擴(kuò)散速率控制的(即決定于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；只有在玻璃化溫度以上，自修復(fù)過程才具有較高的效率。活性聚合物自修復(fù)體系不需外加催化劑，是分子級別的再修復(fù)，特別適合外太空環(huán)境下材料的防護(hù)；若與包覆單體微膠囊結(jié)合使用，將會構(gòu)成多級自修復(fù)材料。

7、納米粒子自修復(fù)

用納米粒子修復(fù)聚合物材料的裂紋是新興起的一種非常有趣的產(chǎn)生自愈合材料的方法。這項(xiàng)技術(shù)不同于前面所述的自愈合技術(shù)，因?yàn)樗簧婕捌茐暮途酆衔镦湹闹匦骆溄?，它是使用一種分散顆粒相，以填補(bǔ)裂縫和缺陷。。納米粒子修復(fù)方法的關(guān)鍵是對納米粒子表面進(jìn)行合適的官能化修飾。

8、自感應(yīng)性自修復(fù)

高分子材料的外力響應(yīng)特性是通過潛伏催化劑在外力的激活下啟動的。潛伏型催化劑的配鍵是聚合物中最薄弱的連接，在外力作用下配鍵的斷裂釋放具有聚合催化活性的金屬催化劑(如Ru、Pt等)，引發(fā)周圍可聚合基團(tuán)交聯(lián)固化，從而完成對裂紋或損傷的修補(bǔ)。盡管目前研究集中在利用超聲波產(chǎn)生外力作用，但最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對真實(shí)環(huán)境下外力(如拉伸、壓縮、彎曲、剪切等)的應(yīng)激響應(yīng)性和對微裂紋的主動修復(fù)性。

有報(bào)道一種紫外光敏性自修復(fù)涂用高分子，它是含有氧雜環(huán)丁烷取代基殼聚糖的聚氨酯。當(dāng)涂層出現(xiàn)擦痕時(shí)，將其暴露在紫外光下（在日光下也有同樣的效果），殼聚糖環(huán)體會開環(huán)產(chǎn)生自由基，在損傷斷裂時(shí)打開的氧雜環(huán)丁烷產(chǎn)生的自由基會和殼聚糖自由基鍵連在一起，從而將損傷修補(bǔ)，這是完全借助自身分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分子級別修復(fù)。這種環(huán)境友好的自修復(fù)高分子材料非常適合用汽車涂層和包裝材料。