7 材料与 自我修复 PRESENTED BY李上达
’ 材料与 自我修复 PRESENTED BY 李上达
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分 损伤 高分子 陶瓷材料 金属材料 解决办法 与修复 材料 Ceramics Metal Polymers
损伤 与修复 第一部分 高分子 材料 Polymers 第二部分 陶瓷材料 Ceramics 第三部分 金属材料 Metal 第四部分 解决办法 第五部分
损伤与修复|材料的损伤 通常，随着使用时间的增加，材料会由于疲劳、环境条件和使用中的损 伤而性能下降。裂缝以及各种形式的损伤会对材料的热学、力学、光学等性 质造成影响，不仅会缩短材料的寿命，还会引发宏观断裂。 2002年5月25日，中华航空611号波音747-200型客机，由台北中正机场 飞往香港途中，飞机在10640米高空解体，坠毁在澎湖外海，206名乘客及 19名机组员全部罹难。 经过两年零九个月的调查，调查报告被公布。报告认为，飞机后部的金 属疲劳造成机体在空中解体，这是导致此次空难的最大因素
损伤与修复 | 材料的损伤 通常，随着使用时间的增加，材料会由于疲劳、环境条件和使用中的损 伤而性能下降。裂缝以及各种形式的损伤会对材料的热学、力学、光学等性 质造成影响，不仅会缩短材料的寿命，还会引发宏观断裂。 2002年5月25日，中华航空611号波音747-200型客机，由台北中正机场 飞往香港途中，飞机在10640米高空解体，坠毁在澎湖外海，206名乘客及 19名机组员全部罹难。 经过两年零九个月的调查，调查报告被公布。报告认为，飞机后部的金 属疲劳造成机体在空中解体，这是导致此次空难的最大因素
损伤与修复丨显微损伤 材料外部或宏观上的损伤通常易于发现和修复， 多数情况下通过人工修复即可达 到恢复或维持复合材料使用性能的目的 材料结构深处微裂纹损伤，例如基体微裂痕，增强纤维和基体键合强度下降，层 与层之间滑移，不但难于发现，而且会导致修复更难以实现。 聚合物疲劳断口上可有两种特征的条纹：疲劳辉纹和疲劳斑纹 理想的修复方法应是在力 求恢复材料性能的基础上 具有相对容易、成本低廉、 不依靠外界操作、可再生 等优势。 m
损伤与修复 | 显微损伤 聚合物疲劳断口上可有两种特征的条纹：疲劳辉纹和疲劳斑纹 材料外部或宏观上的损伤通常易于发现和修复，多数情况下通过人工修复即可达 到恢复或维持复合材料使用性能的目的 材料结构深处微裂纹损伤，例如基体微裂痕，增强纤维和基体键合强度下降，层 与层之间滑移，不但难于发现，而且会导致修复更难以实现。 理想的修复方法应是在力 求恢复材料性能的基础上， 具有相对容易、成本低廉、 不依靠外界操作、可再生 等优势
损伤与修复自修复材料 6 自修复材料（自愈合材料，self-healing material)是一类拥有结构上自愈合能力的 智能材料，这种能力能修复由于长期机械使 用造成的损伤。其灵感来自于在受伤后能自 我修复的生物系统
损伤与修复 | 自修复材料 “ 自修复材料（自愈合材料， self-healing material）是一类拥有结构上自愈合能力的 智能材料，这种能力能修复由于长期机械使 用造成的损伤。其灵感来自于在受伤后能自 我修复的生物系统
损伤与修复 Performance Drop should be compared Performance to effect of'safety factor' Multiple self healing Self healing material 。4424 Existing Existing original materials materials improvement Time Time Single healing Mutiple healing
损伤与修复 Single healing Mutiple healing
损伤与修复|修复过程 (1)在遭受到损伤后， 首先是产生一个刺激 信号，基本上与损伤 (2)材料转移到受损 同步发生。对于人体 伤部位，比如你蹭破了 皮，会长出一块新的， 3)一系列化学修复过 而言，就是一系列的 生理反应，疼痛，信 这无疑需要新的皮肤组 程 号从损伤处到大脑的 织的合成。 传递等
损伤与修复 | 修复过程 （1）在遭受到损伤后， 首先是产生一个刺激 信号，基本上与损伤 同步发生。对于人体 而言，就是一系列的 生理反应，疼痛，信 号从损伤处到大脑的 传递等。 （2）材料转移到受损 伤部位，比如你蹭破了 皮，会长出一块新的， 这无疑需要新的皮肤组 织的合成。 （3）一系列化学修复过 程
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分 损伤 高分子 陶瓷材料 金属材料 解决办法 与修复 材料 Ceramics Metal Polymers
损伤 与修复 第一部分 高分子 材料 Polymers 第二部分 陶瓷材料 Ceramics 第三部分 金属材料 Metal 第四部分 解决办法 第五部分
高分子材料丨微胶囊修复体系 Catalyst ●将单体修复剂被包覆于微胶囊中并 Microcapsule Crack 均匀地分散于聚合物基体中。 ●当材料受损时，材料内部裂纹扩展 6 致使微胶囊破裂释放出修复剂，通过 Healing agent 毛细作用将修复剂释放至受损区域， 然后与预先埋植于基体中的催化剂接 触引发聚合反应，使微裂纹得到愈合 c ● 达到修复的目的。 oPolymerized healing agent White S R,Sottos N R,Geubelle P H,et al.Autonomic healing of polymer composites[J].Nature,2001,409(6822):794
高分子材料 | 微胶囊修复体系 ● 将单体修复剂被包覆于微胶囊中并 均匀地分散于聚合物基体中。 ● 当材料受损时，材料内部裂纹扩展 致使微胶囊破裂释放出修复剂，通过 毛细作用将修复剂释放至受损区域， 然后与预先埋植于基体中的催化剂接 触引发聚合反应，使微裂纹得到愈合 达到修复的目的。 White S R, Sottos N R, Geubelle P H, et al. Autonomic healing of polymer composites[J]. Nature, 2001, 409(6822):794
高分子材料丨微脉管修复体系 UUC-具有脉管网络结构的可自愈强化纤维材料 Pristine Composite Laminate 三维脉管网络 ●脉管由两套隔离的脉管系统组成，分 别充入不同的愈合剂，一种是环氧树脂 另一种是硬化剂。 ●发生断裂时，本来隔离的微管道系统 SELF-HEALING CYCLE 断裂，里面的愈合剂就流出来进入纤维材 ①Delamination Damage ③Reaction&Recovery 料，两种愈合剂在断裂位置互相接触，会 形成高分子聚合物，就像一种结构性胶 把损伤区域连接在一起。 ②Vascular Release Patrick J F,et al.Continuous Self-Healing Life Cycle in Vascularized Structural Composites (Adv.Mater.25/2014)[J].Advanced Materials,2014,26(25):4302
高分子材料 | 微脉管修复体系 三维脉管网络 ● 脉管由两套隔离的脉管系统组成，分 别充入不同的愈合剂，一种是环氧树脂， 另一种是硬化剂。 ● 发生断裂时，本来隔离的微管道系统 断裂，里面的愈合剂就流出来进入纤维材 料，两种愈合剂在断裂位置互相接触，会 形成高分子聚合物，就像一种结构性胶， 把损伤区域连接在一起。 UIUC-具有脉管网络结构的可自愈强化纤维材料 Patrick J F, et al. Continuous Self‐ Healing Life Cycle in Vascularized Structural Composites (Adv. Mater. 25/2014)[J]. Advanced Materials, 2014, 26(25):4302