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  高機(jī)械性能的聚合物材料被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，比如用于特高壓輸電的絕緣部件、新能源設(shè)備及航空航天飛行器的外殼等。在機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力和熱應(yīng)力等的長期作用下，這些材料內(nèi)部會(huì)逐漸產(chǎn)生應(yīng)力疲勞和缺陷，例如機(jī)械裂紋或者電樹枝。這些疲勞缺陷通常從材料的劣化開始，然后演變成內(nèi)部的孔洞和裂紋，最終導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障，造成嚴(yán)重的事故。在災(zāi)難性失效發(fā)生之前，這種類型的內(nèi)部損傷通常在材料外部很難看到，因此，規(guī)避這一問題很有挑戰(zhàn)性。

  目前而言，大多數(shù)自愈方法主要針對(duì)暴露的損傷，比如剪切損傷和表面裂紋，修復(fù)材料內(nèi)部的不可見損傷的工作則要少得多，且主要以外援型的微膠囊/微脈管方法為主。外援型方法愈合次數(shù)有限，且制備復(fù)雜，因此需要探索本征型的自修復(fù)方法。然而，優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度限制了聚合物鏈的擴(kuò)散，使得損傷表面難以實(shí)現(xiàn)自發(fā)接觸。因此，傳統(tǒng)的本征自愈方法需要人工干預(yù)，以按壓損傷表面，使其相互接觸。當(dāng)損傷位于材料內(nèi)部且無法定位時(shí)，這些方法將不再有效。

圖 1 a) 可逆交聯(lián)鍵的開斷機(jī)理；b）材料在完全交聯(lián)狀態(tài)與部分交聯(lián)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變?cè)?/span>

  在這篇文章中，研究人員報(bào)道了在高機(jī)械強(qiáng)度的聚合物中，利用完全交聯(lián)和部分交聯(lián)的兩種不同狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了材料內(nèi)部缺陷的自修復(fù)。兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是通過分子結(jié)構(gòu)中可逆和永久交聯(lián)位點(diǎn)的共存實(shí)現(xiàn)的。與一般的Diels-Alder方法在一定條件下賦予材料熱塑性的思路不同，這種自修復(fù)材料始終保持整體交聯(lián)的狀態(tài)，從而在修復(fù)過程中保持材料的形狀和結(jié)構(gòu)不變。

圖 2 a) 自修復(fù)材料的宏觀缺陷的修復(fù)機(jī)理 b）分子鏈損傷的修復(fù)機(jī)理

  在完全交聯(lián)狀態(tài)（玻璃態(tài)）下，該材料具有緊密交聯(lián)的分子鏈結(jié)構(gòu)，從而獲得優(yōu)異的機(jī)械和絕緣性能。當(dāng)轉(zhuǎn)化為部分交聯(lián)狀態(tài)時(shí)（130℃下，處于高彈態(tài)） ，可逆交聯(lián)鍵斷開，分子鏈的遷移率顯著增加。因此，在部分交聯(lián)狀態(tài)下，聚合物鏈擴(kuò)散到內(nèi)部微裂紋和孔洞中，以實(shí)現(xiàn)損傷表面的接觸，從而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，同時(shí)仍然可以保持整體的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖 3 a) 自修復(fù)材料對(duì)電樹枝缺陷的修復(fù)效果；b) 自修復(fù)材料對(duì)于微型電樹缺陷的多次修復(fù)效果；c) 自修復(fù)材料對(duì)于較大的電樹枝缺陷的多步修復(fù)效果

  他們發(fā)現(xiàn)這種自修復(fù)方法擁有優(yōu)異的修復(fù)效果和多次修復(fù)的能力，盡管分子鏈在高彈態(tài)下的擴(kuò)散能力不如粘彈性聚合物。這是因?yàn)椴牧现械姆肿蛹?jí)損傷可以通過動(dòng)態(tài)交聯(lián)劑中的引入的共軛雙鍵與疲勞過程中產(chǎn)生的分子鏈自由基發(fā)生自由基反應(yīng)實(shí)現(xiàn)修復(fù)。他們預(yù)計(jì)，這種自修復(fù)方法可以通過使用易于合成的動(dòng)態(tài)交聯(lián)劑擴(kuò)展到廣泛的商用環(huán)氧樹脂聚合物中，這使其成為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的一般策略。

  以上成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A。論文的第一作者為清華大學(xué)電機(jī)系博士生謝佳燁，通訊作者為何金良教授與李琦副教授。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta03512f#!divAbstract