神奇的自动修补材料
时间：2020-12-08 16:06:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
当衣物特別是皮衣破损时，我们常常想：“哎，要是它能像人的皮肤伤口一样可以自动愈合就好了，这样就省得花钱买新的。”如果是在以前，这样的念头只能一闪而过。现在好了，通过人们的努力，一种像皮肤一样能自动检查、修复表面损伤的新型智能合成材料终于诞生了。近日，美国研发出了一种新型的智能合成材料，可以自动监测和自动修补裂痕。
简单原理大应用
美国伦斯勒理工学院的科学家尼基尔·科拉特卡利用树脂和碳纤维等物质与纳米技术合成了这种特殊的材料。这种材料巧妙地利用了一个简单的物理学原理，即物质的电阻值与导电性成反比。由于碳纤维的存在，该材料具有一定的导电性。当平常完好无损时材料內部的电阻值很稳定，若一旦材料中某个地方出现了裂缝，由于碳纤维的断裂，裂缝周围材料的电阻值就会迅速升高，这样材料就可以感知到裂缝的存在。
与此同时，裂缝附近的材料由于受力不均匀，压力作用于碳纤维，加上材料内部的电阻值有差异，使材料内部产生了电流。根据物理学的基本原理我们知道，功率等于电流值乘以电压值。伴随着电压的升高和电流的产生，裂缝附近的材料内部开始产生热效应。而当裂缝材料温度升高到一定程度时，材料中一种低熔点的特殊粉末就会受热融化，并流入裂缝。当裂缝中充满该种液态物质时，由于这种液态物资中混合有碳纤维，具有一定的导电性，因此材料的电阻值降低，热效应消退，随着材料本身的降温，流入裂缝的液体也将会快速凝固。根据实验检测，凝固后的材料机械强度可以恢复到原有水平的一半。经过这样的修补，材料的裂缝得到了修复，而其余未受损的部分则不会受到影响。
由于这种材料(包括特种粉末)不溶于水和一般的有机溶剂，附着性、黏性很强，不易脱落，因此这种技术非常适用于航空、航天、航海等技术要求很高的高风险领域，如喷涂于航空器、航天器，船体的外表，用于在无法人工检修时和维修条件差、环境恶劣时进行简单快速地自动修复受损表层，以避免可能的更大危险，2003年2月1日美国“哥伦比亚”号航天飞机失事，从外部燃料箱脱落的泡沫绝缘材料击中左翼造成防热层破损是“哥伦比亚”号返回地球时失事的直接原因，如果当时“哥伦比亚”号外表喷涂有这样能自动检测和自动修复功能的材料，失事的惨剧就很可能避免。
另外，这种技术也可以广泛应用于民用领域。当它应用在民用领域时，如果住宅，办公大楼等建筑物外表敷设了这样的材料，就不用担心日晒雨淋导致建材开裂了，它可以自动检查和修补裂缝，避免室内渗水和漏雨。这不但大大减轻物业工人维修和保养的工作量，而且避免了雨水对建筑物内部钢筋的腐蚀，延长了建筑物的使用年限。同样，室内墙壁涂上有自动修复功能的墙漆，业主再也不用担心墙壁上施工洞与墙体其他部分之间的间隙所造成的不美观，这种特殊材料能自动弥补缺陷。喷涂有自动修复车漆的汽车也不用有一点擦碰就需要重新喷漆或作钣金了，车漆可以自动修复伤痕，既减少了支出，又节约了时间。采用这项技术生产的汽车和自行车轮胎使用寿命也将得到延长，从而更好地节约资源、保护环境，喜爱郊游的人们穿着采用自动修复材料制造的衣服和背包到野外旅行时不怕穿行树林或灌木对衣物表面的划伤，因为它会自动修复。而在医学领域，采用自动修复材料生产的人工关节、人工心脏内辦膜的使用期也将大大延长，不但减少了病人更换器械的痛苦，也减少了病人面临的手术风险，提高了病人的生活质量。这种技术同样可以应用在文物保护方面。故宫等木制建筑物的表层涂上这种材料后也能非常有效地抵抗日晒和风雨的侵蚀，特别值得一提的是对于中国这样地域辽阔、水患频繁的国家来说，采用自动修复材料和技术建设的大坝将在大水来临时有效地预防管涌、渗漏等小事故，防止它们转化为危害堤坝，甚至导致堤坝崩溃的大事故，更好地保障人们生命和财产的安全。
商用尚需时日
目前自动修复材料的研究在全世界范围内蓬勃展开，除了美国暂时居于领先地位外，日本、德国、中国、韩国等也纷纷在进行相关或类似技术的研发。例如德国就研发出一种能自动监测和修补大楼、桥梁等混凝土建筑物的系统，当建筑物內有断裂时，事先安装好的多个监控器感受到的压力和测量的数值就会发生变化，分布在混凝土内的管道就会释放出修补剂渗入裂隙，并快速凝固，完成对混凝土的修补，这种技术对于弥补一般情况下难以察觉的建筑物内部损伤将是非常有帮助的，能有效地预防桥梁及建筑物的内部断裂和倒塌。
虽然这项技术的应用前景和市场非常广阔，但从实验室走向社会尚需时日。目前这项技术的推广应用还存在几方面的问题。首先是技术问题，大规模的商业应用要求自动修复材料能耐日晒、雨淋，能抵抗酸碱的侵蚀和空气的氧化作用，只有这样才能经久耐用。而目前的实验室产品测试仅仅满足一般民用材料的基本要求，距离达到商业化开发的技术要求尚需时日。其次，针对某些特殊的应用领域，不但必须根据不同领域的要求研制不同种类合成材料的配方和生产工艺、流程，而且要经过严格的测试，不但耗资巨大，而且需要相当长的时间和无数次的试验，难度很大。如果具备自动修复功能的人工心脏辦膜要进入医疗第一线，就需通过各种长期临床实验的检验。而专门用于航天器和航空器的特殊材料也必须经过严格的测试，达到极高的技术指标和特殊要求，如耐压力、耐辐射和能忍受外层空间白昼黑夜上千度温差的严峻考验。而可以自动修补船舶、潜艇表面的材料必须能经受含盐、氯等强氧化因素的海水腐蚀和在海底数十个大气压的压力下能正常工作。最重要的是从商业化的角度来看，如果这项技术要得到大规模的应用，必须要将它的生产成本降低到社会可以广泛接受的程度。只有这样才能推动、促进这项技术的普及和发展。
自动检修材料的推出，对于提高人们的生活质量，节约资源和能源，降低物质消耗，减少事故隐患，预防危害和损失是非常有益的。希望有更多更好的这样的先进技术被人们广泛应用，让人类的生活更加美好。
