自修復(fù)軟材料
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-12-14
自修復(fù)軟材料的視頻教程
基于XFEM的微膠囊自修復(fù)水泥基材料修復(fù)效率模擬研究
基于XFEM的微膠囊自修復(fù)水泥基材料修復(fù)效率模擬研究 建模、腳本應(yīng)用、后處理
￥200 12分鐘 458播放
查看
自修復(fù)軟材料的實(shí)例教程
日前，四川大學(xué)吳凱副研究員和南京理工大學(xué)傅佳駿教授聯(lián)合報(bào)道了一種基于精細(xì)填料和聚合物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱自修復(fù)軟材料。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了基于氮化硼納米片(BNNS)和液態(tài)金屬(LM)的雜化功能填料，并將其嵌入具有自修復(fù)功能的聚（脲-氨基甲酸酯）彈性體（PUUE）中，平衡了傳統(tǒng)功能復(fù)合材料中導(dǎo)熱性能、機(jī)械柔軟以及自修復(fù)性能之間的矛盾。這種先進(jìn)的導(dǎo)熱復(fù)合材料在熱界面材料、電子封裝材料和柔性電子產(chǎn)品中有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)工作發(fā)表在RSC材料旗艦期刊 Materials Horizons上。
圖1 具有優(yōu)異機(jī)械性能的高導(dǎo)熱\自修復(fù)\柔性軟物質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)示意圖
柔性電子產(chǎn)品在下一代消費(fèi)電子市場(chǎng)中占據(jù)重要的地位，相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展有望在下一次工業(yè)革命中發(fā)揮關(guān)鍵作用。未來(lái)柔性電子設(shè)備朝著高功率密度、小型化和多功能集成的方向發(fā)展，有效耗散運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)于避免電子元件的永久性損壞、提高可靠性和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。理想柔性散熱材料應(yīng)同時(shí)滿足以下四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：(1)具有合適的機(jī)械性能：柔軟而堅(jiān)韌，可變形且可恢復(fù)；(2)在正常狀態(tài)和變形狀態(tài)下均具有高導(dǎo)熱性；(3)具有穩(wěn)定的電絕緣性能；(4)具有高效的室溫自愈能力，可恢復(fù)受損區(qū)域的機(jī)械損傷、導(dǎo)熱及絕緣功能。然而，對(duì)于絕緣材料，受限于其中基于聲子傳遞的導(dǎo)熱機(jī)制，柔性(低模量)和導(dǎo)熱性能通常難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)；高比例剛性填料阻礙聚合物鏈運(yùn)動(dòng)，損害材料室溫下自愈能力與回復(fù)能力，難以平衡自修復(fù)和高填料比間的矛盾。
展開(kāi) 摘要
軟機(jī)器人容易因動(dòng)態(tài)環(huán)境中發(fā)生的物理?yè)p壞而過(guò)早失效。為了解決這個(gè)問(wèn)題，
新加坡南洋理工大學(xué)
Pooi See Lee
教授
團(tuán)隊(duì)
報(bào)告了一種具有高韌性、室溫自愈性和強(qiáng)粘附性的彈性體，可以防止軟機(jī)器人損壞和恢復(fù)。通過(guò)使
用脲基
-4[1H]-嘧啶酮 (UPy) 和羧基的分級(jí)氫鍵對(duì)聚氨酯
進(jìn)行功能化，可以獲得高韌性 (74.85 MJ m
-3
)、拉伸強(qiáng)度 (9.44 MPa) 和應(yīng)變 (2340%)。
此外，室溫下溶劑輔助自修復(fù)能夠在 12 小時(shí)內(nèi)保持高韌性 (41.74 MJ m
-3
)、拉伸強(qiáng)度 (5.57 MPa) 和應(yīng)變 (1865%)。該彈性體具有高介電常數(shù) (≈9)
，有利于其用作軟機(jī)器人的自修復(fù)介電彈性體致動(dòng)器
(DEA)。在機(jī)械和電自愈后分別顯示 ≈31.4% 和 ≈19.3% 的高面積應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了性能最佳的自愈 DEA。憑借豐富的氫鍵，無(wú)需額外固化或加熱即可實(shí)現(xiàn)高粘合強(qiáng)度。具有
驅(qū)動(dòng)和粘合特性，實(shí)現(xiàn)了用于組裝堅(jiān)固軟機(jī)器人的“粘貼”策略，允許軟機(jī)器人組件在嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)輕松重新組裝或更換
。這項(xiàng)研究突出了具有極端堅(jiān)固性的軟機(jī)器人在不同操作條件下的潛力。
相關(guān)論文以題為
Rugged Soft Robots using Tough, Stretchable, and Self-Healable Adhesive Elastomers
發(fā)表在《
Advanced
Functional
Materials
》上。
主圖
材料特性
圖1
UPy-CPU 的分子結(jié)構(gòu)和材料表征。
a) UPy-CPU 的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
展開(kāi) 電力裝置和電子器件的過(guò)早失效，往往是由絕緣材料的電擊穿破壞引起。
絕緣介質(zhì)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生電樹(shù)是其發(fā)生電擊穿破壞的主要原因。例如，設(shè)計(jì)運(yùn)行數(shù)十年的高壓電力電纜，一旦出現(xiàn)電樹(shù)缺陷，在運(yùn)行電壓下往往不到一年就會(huì)發(fā)生擊穿破壞。由于絕緣介質(zhì)維護(hù)困難，電樹(shù)缺陷難以診斷，長(zhǎng)期以來(lái)由于絕緣擊穿導(dǎo)致的高壓輸電事故頻發(fā)，經(jīng)濟(jì)損失巨大。
通過(guò)模仿生物體遭受外界創(chuàng)傷后的恢復(fù)過(guò)程，自修復(fù)材料自本世紀(jì)以來(lái)得到迅速發(fā)展。然而到目前為止，絕大多數(shù)的自修復(fù)材料是針對(duì)機(jī)械破壞進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有任何自修復(fù)體系能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)固態(tài)絕緣介質(zhì)電損傷的自修復(fù)。其原因在于電樹(shù)損傷形式特殊、電樹(shù)老化伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程等。一方面，電樹(shù)是一種“生長(zhǎng)”在絕緣介質(zhì)內(nèi)部的三維樹(shù)枝狀中空裂紋，孔徑約數(shù)微米，而目前基于動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵（可逆鍵）的自修復(fù)方法只能在損傷斷面直接接觸的情況下，修復(fù)納米尺度甚至分子尺度的損傷；另一方面，電樹(shù)老化通常導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞，導(dǎo)致高化學(xué)活性的自修復(fù)添加物破壞失效。此外，對(duì)于目前采用的內(nèi)含修復(fù)液的微膠囊等自修復(fù)方法，流體和催化劑等成分將嚴(yán)重影響材料的電氣絕緣性能。
近日，清華大學(xué)電機(jī)系何金良教授研究團(tuán)隊(duì)利用納米顆粒在聚合物中的熵耗散遷移行為（entropy-driven migration），結(jié)合超順磁納米顆粒的磁熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了熱塑性電介質(zhì)的電樹(shù)損傷靶向修復(fù)和電氣絕緣性能恢復(fù)。這一研究成果于2018年12月31日在線發(fā)表在Nature Nanotechnology。
圖1.
展開(kāi) 此外，由于動(dòng)態(tài)可逆銀-硫鍵的巧妙設(shè)計(jì)，該彈性導(dǎo)體材料表現(xiàn)出快速而高效的愈合能力，在1分鐘時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)自愈合，且愈合效率高達(dá)93%。更重要的是，修復(fù)后的材料仍然保持了優(yōu)異的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能和電機(jī)械穩(wěn)定性。
圖1. 彈性導(dǎo)體材料的制備及其電機(jī)械性能。
圖2. 彈性導(dǎo)體的自修復(fù)性能。
這項(xiàng)研究為今后研制具有優(yōu)越力學(xué)、電學(xué)性能的可修復(fù)抗拉伸導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)和構(gòu)筑提供了新思路，所制備的材料在柔性、可拉伸電子設(shè)備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上和重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、安徽省自然科學(xué)基金、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
http://www.nature.com/articles/s41467-018-05238-w
來(lái)源：合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院
展開(kāi) 利用該材料打印出來(lái)的產(chǎn)品受損之后可以快速修復(fù)，通過(guò)打印小物件然后利用自修復(fù)技術(shù)能夠?qū)⑿∥锛M裝成一體化的大物件，同時(shí)打印出來(lái)的產(chǎn)品具有各向同性的機(jī)械力學(xué)性質(zhì)。因此，利用自修復(fù)材料可以將傳統(tǒng)磚塊堆砌方法和現(xiàn)代3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，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(shí)，該材料還可用于醫(yī)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(yī)用衛(wèi)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(yōu)點(diǎn)是對(duì)皮膚無(wú)毒副作用，強(qiáng)度較高，操作時(shí)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(zhì)量重等，此外，打石膏時(shí)操作復(fù)雜，給醫(yī)護(hù)人員帶來(lái)許多不便。該研究獲得的高強(qiáng)度剛性自修復(fù)材料在能夠加熱修復(fù)的同時(shí)，還具有優(yōu)良的溫敏性質(zhì)：常溫下強(qiáng)度非常高，類似于熱固性材料；而在加熱時(shí)（50-70℃）又具有熱塑性材料的性質(zhì)，可以反復(fù)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(yīng)用。相比于同類材料，該材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)人體任何部位的形狀；強(qiáng)度高，硬度較大且硬化后不變形；對(duì)皮膚無(wú)毒副作用；質(zhì)量輕，不怕水，透氣，不影響傷員的日常活動(dòng)；可方便拆卸和循環(huán)利用等。
PDMS-COO-Zn聚合物的應(yīng)用
來(lái)源：先豐納米
展開(kāi) 
自修復(fù)軟材料的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
自修復(fù)軟材料的最新內(nèi)容
日前，四川大學(xué)吳凱副研究員和南京理工大學(xué)傅佳駿教授聯(lián)合報(bào)道了一種基于精細(xì)填料和聚合物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱自修復(fù)軟材料。
柔性光電器件(Flexible and optical electronics, FOEs)是一項(xiàng)多學(xué)科高度融合的技術(shù)，能夠突破傳統(tǒng)電子器件應(yīng)用場(chǎng)景的限制，能夠在伸縮，扭轉(zhuǎn)、彎折等動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下展現(xiàn)出前所未有的功能特性和適應(yīng)性，為仿生、柔性傳感、柔性儲(chǔ)能、柔性顯示等領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇，為新時(shí)代器件集成、技術(shù)革新提供創(chuàng)新引領(lǐng)
摘要
軟機(jī)器人容易因動(dòng)態(tài)環(huán)境中發(fā)生的物理?yè)p壞而過(guò)早失效。為了解決這個(gè)問(wèn)題，
新加坡南洋理工大學(xué)
Pooi See Lee
教授
團(tuán)隊(duì)
報(bào)告了一種具有高韌性、室溫自愈性和強(qiáng)粘附性的彈性體，可以防止軟機(jī)器人損壞和恢復(fù)。通過(guò)使
用脲基
-4[1H]-嘧啶酮 (UPy) 和羧基的分級(jí)氫鍵對(duì)聚氨酯
進(jìn)行功能化，可以獲得高韌性 (74.85 MJ m
-3
)、拉伸強(qiáng)度
【科研摘要】
可生物降解的自修復(fù)水凝膠
是用于治療系統(tǒng)，可重復(fù)使用的設(shè)備以及智能細(xì)胞
/藥物載體的高度理想的材料。許多研究工作都通過(guò)物理或化學(xué)策略/設(shè)計(jì)將重點(diǎn)放在自愈水凝膠的其他功能上。
最近，國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)
徐善慧教授
團(tuán)隊(duì)
合成
了N- [3-（4-羥基苯基）丙酰胺基]殼聚糖和雙功能Pluronic-F127交聯(lián)劑（DF-PF）
高強(qiáng)度、高延展性的室溫自修復(fù)材料在國(guó)防軍工、電子皮膚、人工肌肉等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)有研究大多通過(guò)動(dòng)態(tài)鍵可逆交聯(lián)實(shí)現(xiàn)材料自修復(fù)，提高功能器件的可靠性和耐久性。但非共價(jià)鍵結(jié)合力弱，導(dǎo)致自修復(fù)材料強(qiáng)度較低，極大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，如何制備兼具優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和高修復(fù)效率的柔性材料仍然是材料科學(xué)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。
本征可修復(fù)的聚合物是一種能夠通過(guò)分子鏈之間的可逆鍵合作用(包括非共價(jià)鍵和動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵)修復(fù)機(jī)械損傷的材料。這類材料的修復(fù)過(guò)程是一個(gè)典型的物理化學(xué)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，斷裂的可逆鍵需要找到對(duì)應(yīng)的部分來(lái)重新形成新鍵，而聚合物鏈段則需要經(jīng)歷構(gòu)象變化和擴(kuò)散，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。該過(guò)程需要較高的分子運(yùn)動(dòng)能力，所以目前報(bào)道的室溫本征自修復(fù)材料大多數(shù)為水凝膠或者軟彈性體；分子鏈的動(dòng)態(tài)性和流動(dòng)性保證了材料的室溫自修復(fù)效果
法國(guó)JEC復(fù)合材料集團(tuán)網(wǎng)站2019年3月11日?qǐng)?bào)道稱，來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）先進(jìn)復(fù)合材料工藝實(shí)驗(yàn)室的研究人員，最近開(kāi)發(fā)出一種材料，可在結(jié)構(gòu)受到損傷后輕易實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。這種尖端復(fù)合材料或?qū)⒃诤娇蘸教祜w行器、風(fēng)力渦輪機(jī)、汽車及各類運(yùn)動(dòng)裝備中取得應(yīng)用。
研究人員開(kāi)發(fā)出新型自修復(fù)復(fù)合材料（瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院圖片）
當(dāng)風(fēng)電渦輪葉片或飛機(jī)被不明飛行物或碎片等重物擊中后，受損的零部件必須接手整件的更換或利用樹(shù)脂進(jìn)行結(jié)構(gòu)修補(bǔ)
自修復(fù)材料由于可以有效地延長(zhǎng)材料的使用壽命、提高材料安全性以及減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生，在航空、軍工、建筑以及工程等領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，自修復(fù)材料的研究已經(jīng)從探索新類型和新機(jī)理走向了功能化和應(yīng)用化。為了滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)材料強(qiáng)度的需求，開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能的自修復(fù)材料成為目前的研究熱點(diǎn)。但是，對(duì)大多數(shù)自修復(fù)材料而言，優(yōu)異的機(jī)械性能和自修復(fù)性能往往難以兼得。一般而言，具有較強(qiáng)化學(xué)鍵的材料其機(jī)械強(qiáng)度高
隨著全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，電力輸送網(wǎng)絡(luò)必須能夠滿足在載荷不斷提升的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，這就要求電氣設(shè)備在極端工作條件下還具有高可靠性和長(zhǎng)使用壽命。電力裝置和電子器件的過(guò)早失效，往往是由絕緣材料的電擊穿破壞引起。
絕緣介質(zhì)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生電樹(shù)是其發(fā)生電擊穿破壞的主要原因
由于受加熱、機(jī)械作用和化學(xué)反應(yīng)等因素的影響，材料在應(yīng)用過(guò)程中內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂紋，從而影響其使用壽命和力學(xué)性能。受生物體自愈合現(xiàn)象的啟發(fā)，自修復(fù)材料應(yīng)運(yùn)而生——在受到損害后，材料能自行發(fā)現(xiàn)裂紋，并通過(guò)一定機(jī)理將裂紋重新修補(bǔ)，自行愈合[1]。2001年伊利諾伊大學(xué)香檳分校的科學(xué)家率先在《自然》期刊報(bào)道了微膠囊型自修復(fù)高分子材料——在發(fā)生裂紋時(shí)通過(guò)釋放膠囊內(nèi)的修復(fù)劑，利用樹(shù)脂基體中的催化劑在微裂紋處引發(fā)聚合反應(yīng)
