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北航岳永海教授、郭林教授團(tuán)隊(duì) Chem. Soc. Rev.: 超硬共價(jià)鍵材料的自愈合行為
2025-03-26  來源：高分子科技

  超硬共價(jià)鍵材料憑借其極高的硬度與強(qiáng)度，在航空航天、精密制造等極端服役環(huán)境下，呈現(xiàn)出無可替代的應(yīng)用前景。然而，這類材料的本征脆性所引發(fā)的無預(yù)警斷裂失效問題，一直是限制其工程化應(yīng)用的核心難題。賦予超硬共價(jià)鍵材料自愈合能力，已然成為突破這一瓶頸的關(guān)鍵所在。因此，研發(fā)自修復(fù)超硬共價(jià)鍵材料，有望在精密切削刀具、航空航天、電子等眾多工業(yè)領(lǐng)域挖掘出更大的潛在應(yīng)用價(jià)值。


  北京航空航天大學(xué)的岳永海教授與郭林教授團(tuán)隊(duì)，在前期研究中發(fā)現(xiàn)，超硬共價(jià)鍵納米孿晶金剛石復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的室溫自愈合特性（Nature Materials, 2023, 22, 1317）。該團(tuán)隊(duì)從原子尺度揭示出，納米孿晶金剛石復(fù)合材料斷裂表面形成的非晶態(tài)“金剛石成骨細(xì)胞”（DO），是其實(shí)現(xiàn)自愈的關(guān)鍵因素。斷裂面上的DO通過重新成鍵，達(dá)成了材料的自愈，這一成果為脆性陶瓷材料的耐久性及強(qiáng)韌化研究提供了重要指導(dǎo)。


  近期，該團(tuán)隊(duì)于Chemical Society Reviews期刊發(fā)表了一篇題為“Self-healing behavior of superhard covalent bond materials”的綜述文章。此文章系統(tǒng)地歸納了當(dāng)前自愈合材料所涉及的各類愈合機(jī)制，著重剖析了超硬共價(jià)鍵材料自愈合行為的研究進(jìn)展、影響因素以及面臨的挑戰(zhàn)（如圖1所示）。隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，材料力學(xué)性能逐漸下降，容易產(chǎn)生微裂紋，甚至引發(fā)毀滅性破壞，這對(duì)器件的安全性與可靠性構(gòu)成威脅，可能導(dǎo)致在有效使用壽命內(nèi)發(fā)生災(zāi)難性故障。自愈合材料能夠通過觸發(fā)自愈行為，周期性地消除損傷，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)服役（如圖2所示）。 


圖1 自愈合機(jī)制分類及超硬共價(jià)鍵材料自愈合行為的影響因素


圖2 自愈合材料特性示意圖


  文中依據(jù)愈合機(jī)制對(duì)自愈合材料進(jìn)行了分類，主要分為外在自愈材料與內(nèi)在自愈材料。外在自愈機(jī)制涵蓋微膠囊包埋、氧化愈合、形狀記憶輔助愈合等；內(nèi)在自愈機(jī)制則包括動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵、超分子相互作用、擴(kuò)散行為、缺陷驅(qū)動(dòng)等。文章還系統(tǒng)地總結(jié)了尺寸效應(yīng)、斷裂失配程度、斷裂表面粗糙度、愈合時(shí)間與頻率、非晶化程度以及環(huán)境因素等影響材料自愈合性能的因子，為更合理地設(shè)計(jì)與制備具備高愈合效率的超硬共價(jià)鍵材料，指明了多個(gè)值得深入探索的方向。
該工作得到了重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。


  全文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/cs/d4cs01182a 

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（責(zé)任編輯：xu）
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