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  在材料科學領域，自修復聚合物因其獨特的自我修復能力備受關注，廣泛應用于新能源、生物醫學和航空航天等領域。然而，這些自修復高分子材料呈現出機械強度普遍偏低（拉伸強度＜30MPa）的現象，極大地影響其使用壽命和安全性，限制了材料的應用范圍。通過對高分子材料進行分子結構設計制備出強度高的自修復高分子材料是目前該研究領域的一大研究熱點。

  鑒于此，廣西大學王雙飛院士團隊系統地探討了自修復高分子材料自愈性能和力學強度不能兼容的原因，概述了如何通過仿生設計、分子結構優化和納米填料復合等策略，實現高強度與高效自修復性能的平衡。此外，還對高強度自修復高分子材料所面臨的挑戰和前景進行了展望。

  該綜述以題為“Research progress of high-strength self-healing polymer materials: Balance between mechanical strength and self-healing efficiency”發表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

文章要點：

  高分子材料的自修復能力需要高分子鏈有一定擴散性，以實現損傷部位的分子擴散和動態鍵重排。然而，這種分子鏈段的運動能力本質上限制了聚合物網絡的交聯密度，導致材料難以形成穩定、規整的結構來有效傳遞應力，進而造成力學強度下降。因此，材料的自修復性能與力學性能之間存在內在矛盾。

  為解決這一問題，在這篇綜述中，作者提出了三種高強度自修復聚合物的設計策略：模擬生物體自修復機制的仿生設計；基于分子結構構建多重網絡并平衡性能的體系設計；利用納米材料增強特性并優化性能的復合策略。

圖1 高強度自修復高分子材料的三種設計策略

1.仿生設計策略

圖2. (A) 珍珠母微觀結構受力分析；(B) 貽貝足絲單絲結構：近段波紋狀（左），遠段直狀（右）；(C) 貽貝降解-自修復全周期分子機制：(D) 貽貝降解-自修復微觀結構變化。

• 貝殼啟發的層狀結構：具有定向分層的層狀結構可以從多個尺度對復合材料的性能和機制進行優化。
  

• 貽貝組織啟發的功能梯度結構：這種梯度構型可以實現平滑的應力傳遞、分布和局部性能的匹配，達到減少界面應力和改善能量耗散的目的，同時還能為材料提供顯著的各向異性，使結構能夠快速響應外部刺激。

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圖3. (A)蜘蛛絲結構示意圖；(B)拉伸釋放后的IPDI - SPU2000彈性體結構示意圖；(C) SPU復合材料不同的應力-應變曲線；(D,E) IPDI-SPU????彈性體修復效率（拉伸強度/斷裂伸長率）與修復時間（D，100℃）和溫度（E，36h）的關系。

• 蜘蛛絲啟發的多相結構：通過在聚合物內部引入局域有序聚集的晶體結構，可以提高自修復高分子材料的韌性、模量、拉伸強度等力學性能，同時，基于硬-軟多相結構，將晶體嵌入無定形基體中，并通過動態共價鍵或超分子相互作用連接，既提供了高熱力學穩定性也保持了快速的動力學可逆性。

圖4.（A）軟骨組織結構示意圖和軟骨組織中的細胞間物質；(B)具有多功能人體肌肉特征的圖式；(C) PU-BM的相互作用機制。

• 人體組織啟發的網狀結構：人體軟骨組織是由膠原細胞和細胞間質組成，軟骨基質中的蛋白多糖分子側鏈通過氫鍵與膠原纖維連接，形成網狀結構，大量膠原纖維交織成網狀以承受較高的力，因此，這種具有強超分子相互作用的結構使軟骨具有機械強度和韌性。

2.分子結構設計：動態鍵的精準調控

  通過設計具有高結晶度、高分子量、高分子鏈間相互作用力的分子結構，可以提高高分子材料的機械性能，也可以通過共聚或嵌段共聚的方式，將具有不同性能的單體組合在一起，制備出具有優異力學性能的高分子材料，而高分子鏈的流動性是促進自修復的關鍵因素，它是保證動態鍵有足夠的鏈擴散和動態交換效率的先決條件。此外，由于高分子材料在愈合過程中需要消耗能量，這可能導致材料的能量儲存和傳遞能力降低，從而影響其自愈性能和力學性能，所以為了制備出滿足實際要求的高分子材料，需要在聚合物中引入多級能量犧牲鍵，包括動態共價鍵和動態非共價鍵等，以解決機械性能和自愈性能之間的沖突：

• 多重動態鍵協同：結合氫鍵、離子鍵、金屬配位鍵等多種可逆相互作用，形成能量耗散路徑，在提升強度的同時保持修復效率。

• 動態共價鍵優化：利用Diels-Alder反應、亞胺鍵、二硫鍵等動態共價化學，實現可控的鍵交換速率，平衡材料的剛性和自修復速度。

• 微相分離調控：通過硬段和軟段的選擇性交聯，形成納米尺度的微區結構，增強應力傳遞效率，同時保留分子鏈的流動性。

3.納米復合增強：界面工程與多功能集成

  納米填料提供了大量的表面積來附著官能團，通過形成共價鍵或分子間相互作用促進愈合；此外，由于其高比表面積和高表面能，納米填料可以與基體材料形成更牢固的界面結合，從而提高材料的整體力學性能（包括強度和韌性等）；同時，納米填料可以有效地控制裂紋的擴展，從而提高材料的斷裂韌性。納米填料（如石墨烯、MXene、WS?等）的引入可顯著提升聚合物的力學性能，同時不影響其自修復能力。關鍵進展包括：

• 界面動態鍵設計：在納米填料表面修飾功能性基團（如氨基、羧基），與聚合物基體形成動態化學鍵（如氫鍵、亞胺鍵），增強界面相互作用。

• 應力傳遞優化：納米片的定向排列或三維網絡結構可有效分散應力，抑制裂紋擴展，提升材料的斷裂韌性。

• 多功能協同：部分納米填料（如MXene）兼具導電、光熱轉換等特性，使材料在自修復的同時具備傳感、驅動等附加功能。

4.未來發展方向

  1.深入對多種動態鍵自修復機理的研究，在分子設計和材料制備過程中進行精細調控，以實現力學性能和自修復能力的最佳平衡；

  2.復合型自修復材料是未來的一大發展趨勢，通過多種自修復機制的復合及納米填料的引入設計具有高綜合性能的自修復材料，同時應注意各個機制之間的協同配合機理；

  3.自修復效率的表征和量化方法不統一，評估和優化材料的長期穩定性和可靠性的標準也不統一，需要制定統一的測試標準；

  4.為了適應大規模生產與應用，對于具有明顯應用前景的高強度自修復高分子材料，應該采用具有低成本、無害、安全的原料和助劑，并簡化、優化產品合成路徑。

  總之，利用新的設計策略得到更高強度的自修復高分子材料，在保證材料有效使用壽命的同時降低生產成本，則這些新材料將有望作為傳統高分子材料的可持續替代品應用于某些特定的領域，自修復高分子材料將會具有更加美好的應用前景。

  廣西大學輕工與食品工程學院2024級碩士研究生顏志輝為該工作的第一作者，趙輝副教授為該工作的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金項目，廣西自然科學基和廣西重點研發計劃的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164609