在自然界中，自我修復是一種自發的、令人著迷的現象，大多數生物體都具備自我修復的能力。被劃傷的皮膚或骨折的骨頭通過血管循環得以輕松愈合。可以說動植物的生存取決于它們的恢復能力。過去 30 年來，人們一直在研究這種仿生工程材料的恢復機制，即外部損傷后的“自我修復”。當血液從劃傷的皮膚中流出時，愈合物質就會釋放出來，凝固并沿著破裂區域聚集。通過系統地運輸愈合材料和受損區域的聚合固化來修復結構損傷，受自然啟發的自修復特性已被用于仿生設計和材料愈合策略。第一代自修復研究是使用微膠囊進行的。膠囊不需要外部能量來開始愈合過程，然而，由于微膠囊體積較大，包覆層也很厚。此外，從可重復愈合的角度來看，這些膠囊只能使用一次。因此，需要新的方法來減小愈合物質的體積并實現多重愈合能力。

正如在哺乳動物或植物中觀察到的那樣，血管網絡能夠快速、連續地將治療物質輸送到受損區域，這種有效的微血管系統由網絡結構組成，完美覆蓋身體內外。第二代自修復研究探討了承載修復物質的毛細血管網絡這一修復機制。

盡管人們已開發出了多種自修復材料，但目前尚不清楚這些材料的制造方法是否具備經濟可行性，且可以進行工業化生產。例如，基于膠囊的自修復方法仍存在一些缺點，比如分散膠囊的均勻性低且制造工藝復雜。為了克服這些缺點，近年來幾種基于纖維的自修復方法得以推廣，其中的一種溶液吹制方法已經廣為引用。然而，可用作包裹芯材料外殼的納米纖維材料非常有限，此法還不如膠囊法那樣，能使用更廣泛的材料。

此外，混合方法（包括基于膠囊和基于纖維的方法）需要進一步研究，才能最大程度地發揮其優勢。例如，由快速修復膠囊和小尺寸自修復核殼納米纖維組成的自修復復合材料可用于修復各種裂紋中的損傷，例如尺寸為幾納米的裂紋損傷。此外，由于膠囊寬度為數百納米，這種混合方法不會出現因使用膠囊和存在納米纖維而出現的低均勻性緩慢修復限制。最后，添加腐蝕抑制劑或使用 pH 和氧化還原聚合物可以進一步提高自修復性能。

此方法的應用領域包括航空和汽車工業中復合層壓板的界面強化，這些應用在防護沖擊損傷和抵抗疲勞裂紋方面具有重要意義。因此，我們需要一種能讓界面強化的納米紋理自修復插層結構。此外，伴隨著軟體機器人等創新技術的發展，需要能抵御多次疲勞裂紋擴展的柔性自修復復合材料。

2、結構復合材料的自修復

由于對輕量化建筑和高強度結構材料的需求增加，纖維增強復合材料（FRCs）受到了越來越多的關注。特別是由玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維組成的高性能復合材料已被應用于飛機等大型結構，這些材料的議價能力極強，且使用量在過去十年逐年上漲。全球復合材料市場在2019年價值900億美元，預計到2024年底將增長到1136億美元，現已替代了運動用品、汽車和防護裝備上所應用的多種材料。然而，將FRCs應用于易受沖擊損傷或重復機械和熱載荷影響的領域仍然是一個挑戰。比如說，長期暴露于持續振動和沖擊中的大型結構可能因小裂紋或缺陷而面臨致命故障風險。據報道，1989至1996年間，飛機機身的裂紋和核電廠壁的裂紋導致了大量的安全事故。預計到2025年，為了防止重大傷亡或經濟損失，結構健康評估和維護成本將達到55億美元。技術專業知識的缺乏以及為大型結構安裝結構健康監測系統而帶來的復雜性是阻礙市場增長的注意因素。結構健康監測涉及實施系統和各種技術，包括結構損傷檢測的檢查、監控和其他過程。為此，各國已開展各種研究，旨在結構復合材料自修復功能領域搶占高地。

碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料的修復最早由Kessler等人在2003年提出。在他的研究中，“自修復結構復合材料”是指裝載了愈合材料的微囊體，以防止CFRP復合材料的層間剝離斷裂。愈合劑二環戊二烯封裝微囊體（直徑為166 μm）與環氧樹脂按20 wt %混合，愈合劑從破裂的微囊體釋放到雙懸臂梁的裂紋面中。試樣的層間斷裂韌度在室溫下和80 ?C時分別恢復到40%和80%。另一種恢復層間剝離損傷的方法是使用熱塑性聚合物基體，這種結合了Diels-Alder（DA）反應的溫敏性聚氨酯，在碳纖維復合材料內實現了層間剝離的反復愈合，第一輪和第二個輪分別達到85%和75%的愈合效率。將損壞的試樣在100 psi的熱壓下（與制造壓力相同）連續加熱，依次在135 ?C加熱2小時，90 ?C加熱2小時和70 ?C加熱2小時。盡管矩陣材料的機械強度較低且需要使用額外壓力加熱，但這首次展示了CFRP矩陣材料的內在自愈能力。D’Elia等人研究了使用玻璃和硼硅氧烷的磚瓦結構，堅硬的塊體和超分子聚合物為材料提供了機械強度和可重復的愈合功能，從而實現了具有熱塑性特性和高強度的結構復合模型設計，成功地展示了結構在室溫加壓條件下能夠完全恢復其原始強度的愈合功能。

到目前為止，復合材料中的矩陣聚合物提供了自愈功能。然而，在現實中，增強纖維負責復合材料大部分的強度。恢復這些關鍵元素，如重新連接切斷的碳纖維，在目前是不可能的。然而，如果只考慮矩陣材料的修復而不考慮增強纖維，那么只能解決一小部分問題，但我們更要正視那些不可避免的其他問題。

盡管大多數動植物僅能在條件適宜的棲息地中生活，但也存在一些特殊的生物能夠適應極端環境，例如深海、沙漠、苔原或極地地區。為了擴展人類活動的范圍并增強生存能力，我們應該研究這些生物的生存方法。

為了維持正常的體內酶活性和新陳代謝，大多數動植物需要在適宜的溫度中才能得以生存，這一點也適用于復合材料的自修復。特別是在顯著受溫度范圍影響的固化條件下，聚合物材料需要具有放熱功能，以確保在低溫環境下的愈合效率。一般來說，大多數作為愈合劑使用的聚合物材料只能在極窄的溫度范圍內成功固化。不考慮濕度或pH值影響，聚合物的反應能力在低溫環境中顯著降低。

《R. Soc. Open Sci.》刊登了王，Pham等人在玻璃纖維增強聚合物復合材料中嵌入額外的加熱層，以使愈合系統在超低溫度（?60 ?C）下工作。通過內部加熱成功釋放愈合劑，恢復了層壓板的層間粘合。盡管使用加熱層的方法簡單，但卻極具優勢，因為它可以利用現有的聚合物材料在低溫環境中操作。大多數內在愈合系統在逐步升溫的作用下，通過熱可逆結合或熱塑性環氧樹脂有效地重新修復。因此，局部加熱可以有效增加形狀記憶聚合物或超分子聚合物的恢復速率。

《Appl. Phys. Lett》刊登了Lee，Yarin等人對導電薄膜焦耳加熱的研究。此法時將一種導電的電鍍銅納米纖維網與溴丁基橡膠（BIIR）層共同使用。在3.6 V和0.7 A的條件下，銅纖維膜的溫度升至150 ?C，足以多次修復裂縫并保護鋼基材免受腐蝕。同一團隊的另一篇文章中，使用碳納米管嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）或BIIR層（愈合劑）作為軟薄膜加熱器。加熱器有助于加速PDMS的釋放和聚合過程，將愈合時間從24小時縮短至僅10分鐘。模擬結構暴露于北冰洋海水的條件下（冰水浴（~1 ?C）或鹽水（4 wt %））也展示了有效的愈合效果，這些發現具有實際意義。因為借助薄膜加熱器，此種聚合物愈合劑可在惡劣環境下使用，這擴展了機械/化學損傷修復中自修復應用的效率和壽命。

如果以可逆性劃分，大多數愈合物質被分類為熱塑性類別。《Polymer》刊登了張，Jule等人合成了一種具有270 ?C玻璃化轉變溫度（Tg）和365 ?C分解溫度（Td）的可修復熱固性聚合物，這種含有機械響應型異氰酸酯環的異氰酸酯-噁唑酮聚合物通過熱退火使其斷裂點重新粘合。這種新型修復化學成分非常有前景，因為這些結構是可修復的熱固性物質。大多數愈合材料都是熱塑性的，包括DA反應機制。這些材料在重復性和高效性方面表現出色，但與工程塑料相比，也面臨著機械強度低的嚴重缺陷。這一點也是限制結構復合材料自修復應用的主要因素。對于自修復聚合物和復合材料來說，高溫條件下的熱穩定性與低溫裂解同樣重要。Heo,Yule等人在《J. Mater. Chem. A》發布報告稱，基于DA反應的自修復聚合物及其復合材料分別實現了94%和69%的愈合效率，并且該聚合物在240 ?C時仍保持穩定。具有與其他工程聚合物和結構復合材料相媲美的有效熱穩定性和機械強度，將有利于未來的自修復復合材料發展。

2014年，White, S.R.等人在《Science 2014》中不僅展示了對中輕度損傷的恢復，還恢復了大面積永久性損傷。通過血管輸送系統提供的熱塑性凝膠修復了一個直徑為35毫米的穿孔孔洞，這一結果足可媲美自然界中海參或蜥蜴身體的強大恢復能力。這種損傷恢復為我們展示了下一代的自修復水平。開發智能化和具有卓越物理性能的愈合劑將促進這一迭代。

軍用規格最初被作為軍事產品的評估標準，但近年來，這些標準也用來形容一般產品，以彰顯高水平產品的耐久性和可靠性。這些標準被看做是能經受惡劣條件考驗的性能指標，其中現場測試是強制性要求。在不用其他專業設備的情況下，且不使用危險材料，被測物品應該達到一定水平的性能。由于纖維增強聚合物復合材料的應用不斷擴展到軍隊服務領域，包括航空（無人機、直升機）、裝甲（車輛和個人裝備）、地面車輛和戰術結構，修復性能應當與使用性能一樣得到保證。

因此，非熱壓罐固化工藝是復合材料制造技術的前沿趨勢之一。此外，溶液處理或非真空處理是一種有前途的方法，可以通過簡單而廉價的技術實現。這些方法非常有效，因為愈合材料可以以溶液的形式制備，易于處理，并且可以應用于任何不規則的待修復表面或形狀。對于像超分子聚合物或橡膠這樣的固有愈合材料，最好是直接將其應用于基材以立即生成保護膜。例如，船舶和海上建筑物不斷暴露于腐蝕性海洋環境，受到包括鹽水、雨水、紫外線和水生生物的腐蝕性影響，為了確保人員安全，必須對基礎設施和載具進行維護，以防止這些不利條件的影響。通過浸涂、噴涂和刷涂的方式，將BIIR（溶解于己烷中）溶液涂覆在腐蝕性鋼基底上，這種自修復膜能夠在2小時內修補裂縫并保護基底免受4 wt %鹽水的侵蝕，這是一種很有前景的結構材料現場修復方法。

隨著人類活動領域的擴展，其他更多的結構件面臨著挑戰，比如如何保護海底隧道和航天器等領域的結構件。隨著太空時代的加速發展，私人太空旅行，宇宙探索將離我們越來越近。例如，微小的流星以50 km/s的速度撞擊你的宇航服，或者觀察到石塊不斷擊打海底隧道這些事件不再僅僅存在于想象中，因此未來自修復技術的性能應當在更為嚴峻的環境下進行測驗。幸運的是，我們在過去的30年里已經找到了不少用于自修復技術的新材料和新方法。希望自修復技術的核心理論能更快地被人類所理解，人類在不遠的將來設計出更完善的解決方案。