自愈合材料在土木工程中的应用

自愈合(self-healing)的概念源于生物学中的自愈合能力, 构成生物体的材料是一个伴随着生物进化而逐步优化的功能系统，其最突出的特性之一是受到外界损伤之后具有自愈合能力和再生功能。生物体从分子水平(如 DNA 修复)到宏观水平(如皮肤小伤口的愈合)均存在自愈合现象，该现象涉及到细胞、组织的修复和再生与生物体的繁殖、功能维持以及抵御外界侵害能力密切相关，如健康的骨骼、皮肤和肌肉能通过周期性地消耗和再生循环防止由于组织老化和疲劳引起的缺陷。

然而传统材料并不具有自愈合性能，将自愈合的概念拓展到材料科学则具有仿生学的意义。目前，在航天、军工、桥梁、房屋建筑以及组织工程等领域中所使用的传统材料可能在加工或使用过程中发生断裂或破坏,并且材料内部的微观裂纹难于检测和修复，不仅缩短了材料的使用寿命,而且还隐藏有严重的安全隐患，威胁到人们的生命安全。因此，自愈合材料的发展具有深远的科学意义和广阔的应用前景，例如可延长在能源生产建设(如风能、太阳能光伏、 太阳能热)，新型照明器件(如发光二极管)以及组织工程(如人工软骨、人工皮肤)中作为关键部件的材料的使用寿命，从而显著提高材料安全性，优化经济效益。

通过材料的自愈合能力从而提高材料的耐久性这一研究方向成为以节能为当今世界发展主题的热点。在土木工程中，自愈合能力主要体现在智能混凝土、自愈合涂层（self-healing polymercoatings）等。

1.  自愈合混凝土

混凝土结构失效的主要原因是微裂缝的扩展，所以及时对扩展裂缝进行修复就可以很好地减缓失效。但若采用人工修复技术不仅延误了最佳修复时间，并且耗费人力财力。如果混凝土能在产生裂缝后立刻做出反应自行愈合，那么结构修复的经济性和有效性就会大大提高。 

  1925年学者Abrams 第一个发现了混凝土的自行愈合现象，开裂试件在户外放置8a 后愈合了裂缝，并提高了抗压强度。这一发现使通过混凝土自愈合而修复结构变得可行。因此，一些学者开始进行混凝土裂缝自愈合的研究。

虽然国外一些专家对自愈合混凝土作了一些工作,但是从自愈合混凝土的发展来看,目前尚有许多问题需要解决。例如,有关修复粘结剂的选择、封入的方法、流出量的调整、释放机理的研究、纤维或胶囊的选择、分布特性、其与混凝土的断裂匹配的相容性、愈合后混凝土耐久性能的改善等问题,研究尚不完全,还有大量的工作需要做。特别是对自愈合混凝土在实际生产中的制备和应用上所存在的问题,以上这些方法目前尚不能很好的解决。解决好这一问题将对自愈合混凝土今后的发展产生深远的影响。

仿生自愈合混凝土的发展,无论从理论上还是实际应用上都还需进一步的完善。技术上应当探寻使用不同的方法。如在实际应用中可对混凝土局部易开裂处采用自愈合处理,而无须整体实施自愈合方案,在理论上也可以考虑研究梯度型的自愈合混凝土。此外,自愈合混凝土作为一种智能混凝土材料,其未来发展应既是高性能的建筑结构材料,同时又具有优异的智能性能,真正达到混凝土材料结构-智能一体化的境界。这就需要在自愈合混凝土的基础上,进一步  融入信息科学的内容,如感知、识别、和控制驱动等。从而达到适应环境、调节环境、材料和结构健康状况的自诊断和自修复等目的。使其具有多种完善的仿生功能,包括骨骼系统(基材)提供的承载能力、神经系统(传感网络)提供的监测和感知能力、肌肉系统(驱动元件)提供的调整响应能力和免疫系统(修复元件)提供的康复能力。

发展智能混凝土是智能化时代的产物,智能混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术,为传统建材的未来发展注入了新的内容和活力,也提供了全新的机遇。通过对其基础理论及其应用技术深入研究将使传统的混凝土材料发展步入科技创新轨道,使传统混凝土工业获得新的、突破性的飞跃。

2、  自愈合涂层

  涂层是对金属腐蚀进行防护的有效手段之一。但涂层在涂装及使用过程中容易发生缺陷，如鼓泡、针孔、丝状腐蚀等。涂层缺陷使小面积的金属暴露在腐蚀介质中，引发局部腐蚀，导致严重的后果。为了防止涂层缺陷造成破坏，研究人员尝试制备具有自愈合功能的涂层。自愈合涂层是能够进行自我修复的涂层，当涂层破损时能够自动修复，防止基体与腐蚀介质的接触，从而避免腐蚀。

自愈合涂层是自愈合材料中的一类。最初，研究者将填充有引发剂和单体的聚合物微米容器添加到涂层中，当聚合物涂层出现损坏时，涂层中的微米容器发生机械变形，释放出单体和催化剂，单体在涂层缺陷处聚合修复涂层，实现涂层的自愈合。这种方法所使用的微米容器通常较大（通常为几十到几百微米），不适用于较薄的涂层。后来研究者采用对腐蚀性介质的某些性质敏感的微纳米容器封装缓蚀剂，并添加到涂层中。该种方法所使用的微纳米容器较小，涂层发生破裂时，微纳米容器可以释放出缓蚀剂对金属起到保护作用。

美国哈佛大学应用科学家仿照猪笼草的疏水策略，开发出了一种极为光滑的涂层材料，几乎能排斥包括血液、油在内的任何液体，甚至在高压、冰冻等极端环境条件下，仍能保持排斥液体或固体的能力。这种仿生疏流技术在生物医学流体处理、燃料运输、防污、防冻等方面有着广泛应用，甚至有望带来一种能自动清洁的窗户和改良型光学设备。                      

猪笼草是一种叶子像水杯的食虫植物，尤其在雨后，其叶子表面会变得几乎无摩擦，散发出甜味，吸引蚂蚁、蜘蛛、甚至小青蛙。猪笼草的疏水策略与其他植物完全不同，它能在顶部形成一件光滑的外衣，把液体本身变成了疏水面。受其启发，研究人员将一种润滑液注入具有纳米微结构的透气性材料中，制成了这种名为“SLIPS”的疏水表面，意为“灌注液体的光滑透气表面”

这是一种自修复的光滑液 体注入式多孔表面,将研发的润滑液注入具有纳米微结构的材料中。它能够抵御大多数的液体,水滴可以轻松滑落、油腻的发动机油也不在话下，这种SLIPS涂层材料可以抵御并排斥多种液体和固体,甚至可以排斥冰和抗菌;即使用刀子刮坏一部分，也能立即自行修复，修复后仍保持疏流性能，这让它能作为一种自动愈合材料。如果制成光学透镜，也是一种理想的自动清洁设备。