自修復材料
關注創建者：獨行俠1 創建時間：2019-03-13
自修復材料的視頻教程
ABAQUS復合材料自沖鉚接
本視頻主要分享復合材料（主要是碳纖維增強樹脂基復合材料）與金屬板材的自沖鉚接在ABAQUS中實現過程，重點闡述前處理，涉及三大非線性以及復合材料的損傷等，難度較大，源文件（含結果）較大，可直接聯系我進行獲?。ㄋ悸穪碓从谖恼拢禾祭w維增強復合材料與鋁合金溫熱自沖連接損傷即接頭力學性能研究）。
￥450 55分鐘 526播放
查看
自修復材料的實例教程
自修復材料由于可以有效地延長材料的使用壽命、提高材料安全性以及減少廢棄物的產生，在航空、軍工、建筑以及工程等領域中有著重要應用而受到廣泛關注。經過多年的發展，自修復材料的研究已經從探索新類型和新機理走向了功能化和應用化。為了滿足實際應用中對材料強度的需求，開發具有優異機械性能的自修復材料成為目前的研究熱點。但是，對大多數自修復材料而言，優異的機械性能和自修復性能往往難以兼得。一般而言，具有較強化學鍵的材料其機械強度高，但是由于化學鍵的動態性和鏈的流動性差，難以實現自修復；基于較弱化學鍵的材料無需外界刺激便可實現自修復，但是材料力學強度低，難以應用。因此，如何設計合成出兼具優良力學性質和自修復性質的材料是一個極具挑戰性的難題。
近年來，南京大學化學化工學院、配位化學國家重點實驗室李承輝副教授和左景林教授等與美國斯坦福大學鮑哲南教授合作在高強度自修復材料的研究中取得了系列進展。他們利用強弱配位鍵的結合，設計合成了高彈性的自修復材料（Nat. Chem., 2016, 6, 619-625）。通過高強度可逆硼氧鍵的引入，利用“少而精”的策略制備了一種水觸發的硬質自修復材料（Adv. Mater., 2016, 28, 8277；ZL201610299402.5）。同時，基于“積弱成強”的設計策略，他們還通過大量的羧基-Zn(II)弱配位作用制備了一種高強度的剛性自修復材料，該材料在3D打印和醫用外固定支架方面體現出了良好的應用前景（Nat. Commun., 2018, 9, 2725；ZL201610504231.5）。
最近，他們又通過在高分子鏈中引入熱力學穩定而動力學活潑的配位鍵，實現了高韌性材料的室溫自修復。通過分子設計，他們合成了一類基于雙亞胺鍵的變齒配體（Alterdentate Ligand，一類可向金屬離子提供一個以上等價配位點的配體）。
展開 高強度、高延展性的室溫自修復材料在國防軍工、電子皮膚、人工肌肉等領域具有廣泛的應用前景?，F有研究大多通過動態鍵可逆交聯實現材料自修復，提高功能器件的可靠性和耐久性。但非共價鍵結合力弱，導致自修復材料強度較低，極大限制了其應用領域，如何制備兼具優異機械強度和高修復效率的柔性材料仍然是材料科學領域的重大挑戰。
圖1 軟骨啟發的非共價鍵組裝強韌化自修復材料設計策略
近日，四川大學張新星教授團隊基于非共價鍵驅動二維WS2納米片在水性聚氨酯（PU）中組裝，構筑仿軟骨膠原纖維的交織網絡結構，利用高密度氫鍵在界面處的聚集效應制備高強自修復材料（圖1）。研究者通過二維單分子層和天然多酚芳香結構間的疏水相互作用，將WS2剝離成單層或少層納米片，利用WS2納米片上絡合的單寧酸多羥基結構與PU基體間的強氫鍵相互作用，構筑納米組裝網絡及高密度界面氫鍵，制備了拉伸強度達52.3 MPa，斷裂韌性282.7 MJ·m–3，斷裂伸長率1020.8%，修復效率80-100%的室溫自修復材料（圖2），遠高于現有自修復材料。采用變溫紅外光譜、界面結合能模擬、原位拉伸/小角x射線散射等表征計算了氫鍵網絡的斷裂重構及其界面增強機理。
圖2 WS2組裝納米網絡(a)，界面結合能計算(b)，及性能對比 (c)
通過這種仿軟骨編織結構及界面超分子網絡設計策略，有望制備力學性能媲美工程塑料，同時兼具優異自修復性能的高性能新材料，為航空航天、可穿戴電子等領域柔性器件的安全可靠運行提供關鍵材料。
展開 利用該材料打印出來的產品受損之后可以快速修復，通過打印小物件然后利用自修復技術能夠將小物件組裝成一體化的大物件，同時打印出來的產品具有各向同性的機械力學性質。因此，利用自修復材料可以將傳統磚塊堆砌方法和現代3D打印技術的優勢結合起來，使3D打印更加隨心所欲！
圖三：PDMS-COO-Zn聚合物的熱愈合和再成形性能
同時，該材料還可用于醫用外固定支架。外固定材料是臨床骨科與矯形外科常用的消耗性醫用衛生材料。石膏繃帶是目前臨床最常用的外固定材料之一。其主要優點是對皮膚無毒副作用，強度較高，操作時水溫低。然而，石膏繃帶存在著許多缺陷，如：透X射線性差、透氣性差、質量重等，此外，打石膏時操作復雜，給醫護人員帶來許多不便。該研究獲得的高強度剛性自修復材料在能夠加熱修復的同時，還具有優良的溫敏性質：常溫下強度非常高，類似于熱固性材料；而在加熱時（50-70℃）又具有熱塑性材料的性質，可以反復加工。從而可以作為外固定材料在臨床骨科與矯形外科中應用。相比于同類材料，該材料具有諸多優點，例如成本低，跟石膏繃帶不相上下；熱變形溫度低，制作使用方便，并且可以適應人體任何部位的形狀；強度高，硬度較大且硬化后不變形；對皮膚無毒副作用；質量輕，不怕水，透氣，不影響傷員的日常活動；可方便拆卸和循環利用等。
PDMS-COO-Zn聚合物的應用
來源：先豐納米
展開 由于受加熱、機械作用和化學反應等因素的影響，材料在應用過程中內部會產生微裂紋，從而影響其使用壽命和力學性能。受生物體自愈合現象的啟發，自修復材料應運而生——在受到損害后，材料能自行發現裂紋，并通過一定機理將裂紋重新修補，自行愈合[1]。2001年伊利諾伊大學香檳分校的科學家率先在《自然》期刊報道了微膠囊型自修復高分子材料——在發生裂紋時通過釋放膠囊內的修復劑，利用樹脂基體中的催化劑在微裂紋處引發聚合反應，實現裂紋的修復[2]。自修復材料不僅僅能夠延長材料服役壽命以有效降低成本（包含制備、監測、維護、維修、更新等），更對目前合成材料難以可持續利用、降解緩慢甚至無法降解所帶來的環境問題提供了一定的解決策略，從而在過去的二十年內得到了快速地發展。
目前已被報道的高分子材料自修復策略包括：嵌入被封裝起來的反應物流體，在材料損壞時填充和修復受損區域；引入動態共價鍵或超分子的動態化學交聯，在受損后能夠重新構筑高分子網絡；在基體中物理分散納米材料，使之在磁場或電磁場作用下誘導高分子網絡結構的修復；引入軟、硬鏈段的相分離材料，借助形狀記憶功能閉合傷口；或加入能夠修補損傷結構的生物體（如菌）[3]。不過這些策略要么是通過加入額外的修復劑，通過改變或提供高分子鏈間的交聯來實現修復，即所謂的“外援型自修復”，適用范圍非常有限；要么是利用材料自身的化學結構特性，通過可逆共價鍵或非共價鍵的化學作用實現多次自修復，即所謂的“本征型自修復”，但非常依賴于高分子材料的特殊合成手段[4]。因此，目前的一個重大的挑戰在于是否能讓應用非常廣泛的通用高分子材料具有自修復性能。
在本期《科學》期刊中，來自美國克萊姆森大學M.W. Urban團隊的科學家報道了可具有（本征）自修復能力的通用共聚高分子，其修復能力來自于分子鏈間的“匙鎖互配”這一嶄新機制。
展開 本征可修復的聚合物是一種能夠通過分子鏈之間的可逆鍵合作用(包括非共價鍵和動態共價鍵)修復機械損傷的材料。這類材料的修復過程是一個典型的物理化學過程，在這個過程中，斷裂的可逆鍵需要找到對應的部分來重新形成新鍵，而聚合物鏈段則需要經歷構象變化和擴散，以達到新的平衡狀態。該過程需要較高的分子運動能力，所以目前報道的室溫本征自修復材料大多數為水凝膠或者軟彈性體；分子鏈的動態性和流動性保證了材料的室溫自修復效果，但卻無法滿足材料應具備的強度和硬度。因此，亟待開發出能夠室溫自修復的剛性本征自修復聚合物材料。
近日，南京理工大學的傅佳駿教授團隊開發出一種新型的室溫自修復的玻璃態聚氨酯材料，很好的彌補了上述遺憾。雖然玻璃態聚合物的鏈段運動在室溫下被凍結（Tg>室溫），但比鏈段小的一些單元仍能運動（次級松弛），從而提供給聚合物超強的截面結合能力。鑒于此，該團隊向聚合物網絡中植入了大量的高密度氫鍵單元，這些氫鍵在斷裂后，能夠自由運動并重新結合。相應的材料在切斷后，室溫下按住斷面一分鐘左右就能重新結合，一小時左右就能恢復原有的機械強度。對材料的室溫自修復機理研究后證實，盡管室溫下聚合物的鏈段無法運動，然而聚合物內部大量的氫鍵基團卻可以自由的運動（次級松弛運動），聚合物斷裂面上大量的斷裂氫鍵的快速結合是其能夠室溫自修復的主要原因。
相關成果以“A Fast Room-Temperature Self-Healing Glassy Polyurethane”為題，發表在國際化學頂級期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。徐建華博士和陳驕陽博士為第一作者。
展開 
自修復材料的相關專題、標簽、搜索
自修復材料的最新內容
纖維復合材料層合板圓形銑削，階梯挖補修復前去除材料；
采用連續殼單元，無網格畸變；
內附cae，inp，ODB文件
<figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202510/attachment/d27fd569f837422f91c7c1b02427d591
此外，具備自修復功能的智能材料也將亮相展會，該材料能大幅提高汽車零部件的使用壽命和安全性，為汽車行業帶來新的發展思路。</p><p>除了材料展示，現場還將有眾多先進的汽車制造工藝演示。例如，3D 打印技術在汽車零部件制造中的應用，可實現復雜零部件的快速定制生產，突破傳統制造工藝的限制，提高生產效率和材料利用率。
<div contenteditable="false" width="100%">
Abaqus纖維復合材料雙面貼補修復拉伸試驗，已實現層合板斷裂，且已解決網格畸變問題，層間內插cohesive單元，補片與母體間采用cohesive膠接，模型采用puck失效準則
</div><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><figure style
<div contenteditable="false" width="100%">
Abaqus纖維復合材料單面貼補修復拉伸試驗，已實現層合板斷裂，且已解決網格畸變問題，層間內插cohesive單元，補片與母體間采用cohesive膠接，模型采用puck失效準則
</div><div contenteditable="false" width="100%">
內附有inp，puck
Abaqus纖維復合材料搭接修復力學仿真模型-落錘沖擊試驗！
內插0厚度cohesive單元以模擬分層
模擬過程采用puck子程序，有錄制整個建模操作視頻，可贈送復合材料層合板快速建模插件!
cae，inp文件及ODB文件，操作視頻（注意：不含PUCK子程序，只供學習參考使用）
Abaqus纖維復合材料搭接修復力學仿真模型!
拉伸試驗！
內插0厚度cohesive單元以模擬分層
模擬過程采用puck子程序，有錄制整個建模操作視頻，可贈送復合材料層合板快速建模插件!
cae，inp文件及ODB文件，操作視頻（注意：不含PUCK子程序，只供學習參考使用）
<figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202505/attachment/5088b8be42864671942bca39b49a52af.png
<div contenteditable="false" width="100%">
Abaqus纖維復合材料搭接修復力學仿真模型!
</div><div contenteditable="false" width="100%">
落錘沖擊！
</div><div contenteditable="false" width="100%">
內插0厚度cohesive單元以模擬分層
1. 材料屬性的設置
有兩種方式可以自定義材料的屬性參數，第一種材料下拉框選擇，第二種UDF自定義函數。
我們這次主要介紹第二種方式，通過UDF的方式自定義材料屬性。之前有兩篇文章介紹過UDF的基礎和UDF DEFINE _PROFILE宏
自定義材料屬性的define宏主要是DEFINE_PROPERTY，除此之外如果需要定義擴散系數，還需要使用DEFINE_DIFFUSIVITY
