第二章 各向异性材料的弹性力学基础
§2.1各向异性材料的应力应变关系
一、基本假设
1. 材料处于线弹性状态：纤维肯定是线性的，树脂有线性段。
2. 单元体是均匀的：条件是单元要比纤维直径大的多。
3. 单元体是连续的：在单元体内，纤维与基体中无气泡（空穴）。
4. 单元体是各向异性的线弹性体，E 、b σ都有方向性。
用一句话来概括就是：单元体是均匀连续的各向异性线弹性体。 二、各向异性材料的应力应变关系
根据广义虎克定律，各向异性材料单元体的应力应变关系是
x σ＝C 11x ε＋C 12y ε＋C 13z ε＋C 14yz γ＋C 15zx γ＋C 16xy γ
y σ＝C 21x ε＋C 22y ε＋C 23z ε＋C 24yz γ＋C 25zx γ＋C 26xy γ z σ＝C 31x ε＋C 32y ε＋C 33z ε＋C 34yz γ＋C 35zx γ＋C 36xy γ
yz τ＝C 41x ε＋C 42y ε＋C 43z ε＋C 44yz γ＋C 45zx γ＋C 46xy γ （2.1—1） zx τ＝C 51x ε＋C 52y ε＋C 53z ε＋C 54yz γ＋C 55zx γ＋C 56xy γ
xy τ＝C 61x ε＋C 62y ε＋C 63z ε＋C 64yz γ＋C 65zx γ＋C 66xy γ
上式简写成矩阵形式 {σ}＝[C] {ε} ［C ij ］是一个6×6的刚度矩阵，有36个刚度系数。 单元体的应变能密度函数为
U ＝2
1
（x σx ε＋y σy ε＋z σz ε＋yz τyz γ＋zx τzx γ＋xy τxy γ） （2.1－2） 把根据弹性力学中的变分原理,应变能密度函数U 有如下特性
x x U σε=??
y
U ε??＝y σ z U
ε??＝z σ
yz U γ??＝yz τ zx U
γ??＝zx τ xy
U γ??＝xy τ
若把（2.1－1）式中x σ代入第一式，两边对y ε求偏导数可得
y
x U
εε???2＝C 12 同理把y σ代入第二式两边对x ε求偏导数可得
x
y U
εε???2＝C 21
因为求导与微分先后顺序无关， ∴得 C ij ＝C ji
这表明[C]矩阵是一个对称矩阵，原来36个刚度系数就只有21个了。 1. 单对称材料（具有一个弹性对称面）
把（2.1－1）式中应力代入U 式
U ＝21
C 112x ε＋C 12x εy ε＋C 13x εz ε＋C 14x εyz γ＋ C 15x εzx γ＋C 16x εxy γ＋2
1C 222
y ε
＋C 23y εz ε＋C 24y εyz γ＋C 25y εzx γ＋C 26y εxy γ＋2
1
C 332z ε＋C 34z εyz γ＋C 35z εzx γ
＋C 36z εxy γ＋21C 442yz γ＋C 45yz γzx γ＋C 46yz γxy γ＋21C 552
zx γ＋C 56zx γxy γ＋2
1C 662xy γ
在弹性体内，建立坐标系X 、Y 、Z ，使XOY 平面为弹性体的弹性对称面，Z 轴垂直弹性对称面，建立另一坐标系X '、Y '、Z '，但1Z '轴向下，如图所示。
不管在X 、Y 、Z 坐标系还是在X '、Y '、Z '坐标系中，应变能密度U 表达式是不变的，剪应变yz γ、zx γ表达式是
yz γ＝z v ??＋y w
?? zx γ＝
z u ??＋x
w ??
设在X 、Y 、Z 坐标系中Z 、W 为正，则yz γ、zx γ也为正，但在X '、Y '、Z '坐标系中Z 、W 变号为负，为使U 保持不变，只有U 表达式中yz γ、zx γ的一次项系数为零，即
C 14＝C 15＝C 24＝C 25＝C 34＝C 35＝C 46＝C 56＝0
这样[C]矩阵简化成
?
??????????????????
?6663
62
6155544544363332
3126232221161312110
00000000000000C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C 弹性常数减为13个。
2. 正交各向异性材料（具有三个相互正交的弹性对称面）
这种材料除了上面由一个XOY 对称面外，还有XOZ 、YOZ 对称面，在相应的坐标系下要保持U 不变，只有xy γ、zx γ的一次项系数为0，即
C 16＝C 26＝C 36＝C 45＝0
[C]矩阵简化成
?????????
???
???
?????66554433
32312322211312
110
00
0000000000
000000000C C C C C C C C C
C C C 显然，正交各向异性材料的独立弹性系数只有9个。
∴ 在正交各向异性材料中，正应力和剪应变、剪应力和正应变之间没有像各向异性材料中存在的相互作用（即耦合），不同平面内的剪应力和剪应变之间也无耦合作用。 3. 横观各向同性材料
如果材料内存在一个面，在这个面上任意一点处材料在各个方向的力学性能都相同，如图所示，称为横观各向同性材料。
显然，这种材料x ε＝y ε， yz γ＝zx γ，可以互换，互换后要保证应变能密度表达式不变，必须有 C 11＝C 22 C 44＝C 55 C 23＝C
对XOY 面，应力应变表达式为
x σ＝C 11x ε＋ C 12y ε＋ C 13xy γ
y σ＝C 12x ε＋ C 11y ε＋ C 13xy γ
xy τ＝C 66xy γ
由各向同性材料得 C 66＝2
1
（C 11 — C 12） ∴[C]矩阵变成
?
?
??
????????
???
????
?-2/)(0
000
000000000
000
000
002211444433323123222113
1211C C C C C C C C C C
C C C 材料常数只有5个。 4. 各向同性材料
若XOZ 、YOZ 面也为横观各向同性面，则材料成为各向同性材料，有
C 11＝C 22＝C 33 C 12＝C 13＝C 23 C 44＝C 55＝C 66＝2
1
（ C 11— C 12）
∴系数矩阵［C ］中只有2个独立的弹性常数，为各向异性材料的特例（殊）情况。
对式（2.1－1） {σ}＝[C]{ε} 求逆 得 {ε}＝[S]{σ}
是用应力表示应变的表达式，［S ］为柔度矩阵，与前面刚度矩阵[C]元素对应，[C]与[S]矩阵为互递关系，有 [S]＝[]1-C 且 ij S ＝ji S 也是一个对称矩阵。
∴在各向异性材料中,不管它是单对称材料、正交各向异性材料、横观各向异性材料或者它是各向同性材料,其柔度矩阵与刚度矩阵的元素一一对应，不同情况下，弹性常数个数不同。
§2.2 正交各向异性材料的工程常数
一、弹性主轴
若选取坐标方向垂直于材料的弹性对称面，则该坐标轴就是一个弹性对称轴。单对称材料有一个弹性主轴，正交各向异性材料有三个弹性主轴。若取x 、y 、z 坐标方向垂直三个弹性对称面，则x 、y 、z 方向即为弹性主方向，分别用1、2、3表示，相应的应力、应变及模量等下标都改用主轴方向。
这种材料在弹性主方向上受载时剪应力不产生正应变，正应力不产生剪应变。
二、正交各向异性材料的工程常数
取一单元体，根据广义虎克定律正交各向异性材料的应变应力关系为：
1ε＝
11E σ－22E σ
21v －3
3E σ31v 2ε＝-
11E σ12v +22E σ
－33E σ32v （2.2—1）
3ε＝-
11E σ13v －22E σ
23v ＋3
3E σ
23r ＝23
23G τ
31r ＝31
31
G τ
12r ＝
12
12
G τ
写成矩阵形式为
{ε}=[S]{σ} (2.2—2)
其中 [S] ＝ ??????????
??????
?????????
????????
?-
--
---
1231233223
1
13
332
21123
312
21
110
0010000001000000100010001G G G E E E E E E E E E νννννν 与矩阵［C ］相对应，式中1E 、2E 、3E 分别为1、2、3方向的拉、压弹性模量,23G 、31G 、12G 为2～3、3～1、1～2平面的剪切模量。
ij ν：为应力在i 方向作用时，j 方向横向应变泊松比，即
ij ν＝-i
j
εε (此处i σ＝σ,其它应力分量全为零)
从ij s 矩阵的对称性有
112E ν＝221E ν
113E ν＝331E ν 223E ν＝3
32E ν 写成通式 i ij E ν＝j
ji
E ν
正交各向异性材料必须满足这个关系式,并且12ν与21ν、23ν与32ν、31ν与13ν是不同的。
一般纤维方向模量比横向模量大得多,故纤维方向加载产生的横向变形
比横向加载产生的纤维方向变形也大得多,即两个方向上的泊松效应不同。
根据刚度矩阵C 和柔度矩阵S 的互逆关系，可得到正交各向异性材料S 与C 各分量之间的关系：
C 11＝S S S S 2233322- C 22＝S
S S S 2133311- C 33＝S S S S 2
12
2211-
C 12＝S S S S S 33122313- C 13＝S S S S S 22132312- C 23＝S
S
S S S 11231312- C 44＝
441S C 55＝551S C 66＝66
1S S ＝1323122123321322223113322112S S S S S S S S S S S S +---
用工程弹性常数表示正交各向异性材料刚度矩阵C ij 时，可直接对S ij 矩阵求逆，也可以把S ij 矩阵中各分量代入上面各C ij 求得：
C 11＝?-3232231E E νν C 12＝?+=?+3113321232233121E E E E ν
ννννν C 44＝G 23 C 22＝?-3131131E E νν C 13＝?
+=?+2123121332322131E E E E ν
ννννν C 55＝G 31 C 33＝
?-2121
121E E νν C 23＝?
+=?+2113212331311232E E E E νννννν C 66＝G 12 3
2113
322131133223211221E E E ννννννννν----=
?
§2.3 弹性常数的限制
一. 各向同性材料泊松比应满足的条件范围是： -1<ν<1/2 二. 正交各向异性材料
用能量的观点来说，所有应力分量所作的功必须是正值。如果每次只有一个应力分量作用，对应的应变由柔度矩阵对角线元素决定，于是这些元素
必是正值。
j i ij j i ij i i S C U σσεεεσ2
1
2121===
当1σ≠0，其它为0时，2111112
1
21σεσS U ==
∵ U>0 ∴ S 11>0 即 S 11、S 22、S 33、S 44、S 55、S 66>0
或E 1、E 2、E 3、G 23、G 31、G 12 >0
对应的刚阵对角元素 C 11、C 22、C 33、C 44、C 55、C 66 >0
这样，从C 11、C 22、C 33的表达式有（∵ii S >0，即ii S 是正定的，故?>0）
1－3223νν>0 1－3113νν>0 1－2112νν>0
考虑到式
2
21
1
12
E E νν=
1
2
12
21E E νν=代入1－2112νν>0中得泊松比的限制条件 ∣12ν∣<2/121)(E E ∣21ν∣<2/11
2)(E E
∣23ν∣<2
/132)(E E ∣32ν∣<2/123)(E E （2.3—1） ∣31ν∣<2/113)(
E E ∣13ν∣<2/13
1)(E E
∵ S 、C 矩阵对角元素大于0，故S 、C 为正定矩阵，由?表达式有：
1－2112νν－3223νν－3113νν－23221νν13ν>0
把上式中间三项12ν、23ν、31ν用
j
ji
i
ij
E E νν=
关系表示，不等式可写成
133221ννν< )1(211
32133223221221E E E E E E ννν--- < 21
∴三个泊松比乘积只能小于2
1
，不可能同时取很大的值。这就是弹性常数的限制条件
上述正交各向异性材料工程常数的限制条件，可用来校核实验数据在数
学弹性模型范围内是否在物理上相容，即协调。
从泊松比限制条件可以看出：若1、2方向模量E 1、E 2差值越大，12ν也越大，21ν越小。例：E 1＝81.77G a P E 2＝9.170G a P ，测得12ν＝1.97 如此高的泊松比对各向同性材是不允许的，但对复合材料，==2
/12/121)17
.977.81()(E E 2.99 > 1.97是合理的,实测得的21ν＝0.22,也满足j
ji
i
ij
E E νν=
。
§2.4 单向层板正轴向的εσ-关系
正交各向异性材料沿厚度方向取得很薄，并忽略厚度上的应力，立方体就退化成平面应力问题，在平面应力状态下，031233===ττσ，只有1σ、
2σ、12τ，式（2.2－1）就简化成
??????????1221γεε＝???
?
?01211S S 02212
S S ?????
6600S ??
???
?????1221τσσ
＝?????-0
//11211
E E ν 0/1/2112E E ν-??
???66/100G ??
?
??
?????1221τσσ (2.4－1） 横向 3ε＝2
2
231
113E E σνσν--
， 03123==γγ
显然，要求解3ε，必须知道13ν、23ν。 对（2.4－1）式求逆得应力—应变关系：
??????????1221τσσ＝?????01211Q Q 022
12Q Q ?????6600Q ??????????1221γεε＝［Q ］??
????????1221γεε （2.4－2）
其中Q ij 是平面单向层板的刚度矩阵，各分量可由单向板模量直接求出
Q 11＝m E 1 Q 22＝m E 2 Q 66＝G 12
Q 12＝Q 21＝12νm E 2＝21νm E 1 （正确，第四章例子中是错的） 其中 m ＝1
2112)1(--νν
对正交各向异性材料的平面问题独立的工程弹性常数只有4个：E 1、E 2、G 12和12ν。有这4个工程弹性常数在不考虑横向剪切变形时就可以求解任何平面问题了。
从（2.4－1）是可以看出, 正交各向异性材料沿主方向拉（压）时，不会产生剪切变形的耦合效应，当沿着材料非主向拉（压）时，除了产生拉伸、
横向变形外，还会产生剪切变形。
（a ）正（主）轴拉伸 （b ）偏轴拉伸
§2.5 单层板在偏轴方向上的
εσ-关系
由单层板组成的单向板 ,除了用于实验测定材料的1E 、2E 、
12G 和12ν外,在工程上没有任何用处。工程上使用的层合板是由许多单层板按不同方向铺设的,如多向层合板、纤维增强缠绕圆柱等,所以, 必须了解偏轴情况下材料的应力应变关系。
一、应力转换转换依据:力的平衡关系
角的正负号规定: 逆时针为正,顺时针为负。
当单向板受偏轴拉伸时，主轴方向的应力可以由单元体斜截面的平衡条件导出。
由图(b)有 ∑X =0 x
σdA θcos +xy τdA θsin -1σdA θcos +12τdA θsin =0
∑Y =0
y σdA θsin +xy τdA θcos -1σdA θsin -12τdA θcos =0
联立求解:
1σ=θ2cos x σ+
θ2sin y σ+2θsin θ
cos xy τ
12τ=-θ
sin θ
cos x σ+θcos θsin y σ+(θ2cos -θ2sin )xy τ
同理由(c)图得
（c ）
2σ=θ2sin x σ+
θ2
cos y σ- 2θsin θcos xy τ 12τ=-θsin θcos x σ+
θsin θcos y σ+(θ2cos -θ2sin )xy τ ??????????1221τσσ＝?????-θθθθcos sin sin cos 22
θθθθcos sin cos sin 22 ?????--θθθθθθ22sin cos cos sin 2cos sin 2 ??
????????xy y x τσσ (2.5-3)
??????????xy y x τσσ＝????
?θθθθcos sin sin cos 22
θθθθcos sin cos sin 2
2- ?????
--θθθθθθ22sin cos cos sin 2cos sin 2??
?
??
?????1221τσσ (2.5-4) 为了简化系数矩阵,可令 m =θcos n =θsin 二、应变转换 转换依据:几何关系
u ′= m u + n v v ′= -n u + m v
x ′= m x ′ + n y ′
x = m x ′- n y ′ y ′= -n x ′+ m y ′
y= n x ′ + m y ′
x
u ??'
= m x u ?? + n x v ??
y
u ??'
= m y u ?? + n y v ??
'
x x
?? =m 'x
y
?? = n 1ε='x ε= ''x u ?? =
''x x x u ???? + ''x y y u ???? = m x u ??' + n y
u ??'
= m (m
x u ?? + n x v ??) + n (m y u ?? + n y
v ??) = 2m x ε+2n y ε+xy mn τ
同理: 2ε= 2n x ε+2m y ε-xy mn τ
12γ= -2mn x ε+2mn y ε+(2m -2n )xy τ
∴ ??????????1221γεε＝?????-mn n m 222
m n m n 222 ????
?--22n m m n m n ??
?
??
?????xy y x γεε (2.5-5) ??????????xy y x γεε＝????
?mn n m 222
m n m n 222- ?
????--22n m m n m n ??
??
??????1221γεε (2.5-6) 三、偏轴应力应变关系
转换过程:
偏轴应变 +
εT
正轴应变 ij Q 正轴应力 -
σT 偏轴应力
(x ε,y ε,xy γ) (1ε,2ε,12γ) (1σ,2σ,12τ) (x σ,y σ,xy τ) 把(2.5-5)代入(2.4-2)得1σ、2σ、12τ再代入（2.5－4）式，就得到了由偏轴应力与偏轴应变之间的关系式
??????????xy y x τσσ＝????
??612111Q Q Q 622212Q Q Q ??????662616Q Q Q ??
???
?????xy y x γεε (2.5-7)
偏轴刚度，则
从上式(2.5-8)可以看出 θ =0
, n=0, m=1, ∴ 11Q ＝Q 11, 22Q ＝Q 22, 12Q ＝Q 12,
66Q ＝Q 66, 16Q ＝26Q ＝0
θ =90
, n=1, m=0,
∴ 11Q ＝Q 22, 22Q ＝Q 11, 12Q ＝Q 12,
66Q ＝Q 66, 16Q ＝26Q ＝0
显然，θ =0
、90
仍为正轴受载，除此之外均为偏轴受载。（偏的是1轴）
正轴情况下， 16Q ＝26Q ＝0ij Q 还可写成下式形式
11Q ＝U 1＋U 2cos2θ + U 3cos4θ 22Q
＝U 1 - U 2cos2θ + U 3cos4θ 12Q ＝U 4 - U 3cos4θ (2.5-9)
16Q ＝21
U 2sin2θ + U 3sin4θ 26Q ＝2
1
U 2sin2θ - U 3sin4θ 66Q
＝U 5 - U 3cos4θ U 1= (3Q 11+3Q 22+2Q 12+4Q 66)/8 U 2= (Q 11-Q 22)/2 U 3= (Q 11+Q 22-2Q 12-4Q 66)/8 U 4=(Q 11+Q 22+6Q 12-4Q 66)/8 U 5= (Q 11+Q 22-2Q 12+4Q 66)/8
从（2.5—9）可以看出: 11Q 、22Q 、12Q 、66Q 是θ的偶函数，16Q 、26Q 是θ 的奇函数。这就是说：±θ 只改变16Q 、26Q 项的分量，其它刚度系数不受影响。
同样也可求解出偏轴下应变与应力的关系式
自修复高分子材料的研究现状及发展 发表时间：2020-01-15T14:41:52.863Z 来源：《科学与技术》2019年17期作者：李果兴陈恒 [导读] 近年来，智能自修复高分子材料越来越引人注目 摘要：近年来，智能自修复高分子材料越来越引人注目。未来的开发阶段包括(1)改进的维修效率和维修，以便快速维修。(2)简化合成工艺，降低材料成本；(3)绿色环保，开展符合环境保护的可持续发展项目。综上所述，聚合物自修复材料具有非常广泛的发展前景。但是我国这个领域的研究还与世界先进水平有所不同，因此我们需要继续进行更深入的研究，将其迅速应用到科学技术和商业市场，以谋求全人类的利益。本文基于自修复高分子材料的研究现状及发展展开论述。 关键词：自修复；高分子材料；研究现状及发展 引言 今天，随着社会的快速发展，对材料的性能要求越来越高。自修复聚合物材料由于其自修复功能性质，具有延长材料寿命和降低材料使用过程中维护和维护成本的优点，因此自修复聚合物材料在未来的各个领域具有良好的应用和发展前景。 1自修复高分子材料概述 自修复型高分子材料是指高分子材料在受到损伤后可在宏观和微观自行修复，并在一定程度上恢复其力学性能的一类高分子材料。依据修复的特征，自修复型高分子材料可分为本征型和外援型两大类。外援型聚合物自修复材料通常是指向聚合物基体中引入包覆有修复剂的微胶囊、微管或中空纤维等的复合材料。当材料受到损伤时，包覆层破裂并释放出修复剂，修复剂之间相互反应从而完成修复过程。如Ｗｈｉｔｅ等首次向环氧树脂中同时引入了包覆有环戊二烯修复剂的微胶囊和分散于基体中的Ｇｒｕｂｂｓ催化剂，当复合体系受到损伤时，微胶囊破裂，修复剂释放出来并与催化剂反应，形成新的聚合物从而实现裂纹的修复。本征型聚合物自修复材料则是指聚合物通过大分子链自身的运动、缠结或可逆的化学反应（Ｄｉｅｌｓ－Ａｌｄｅｒ反应、可逆酰腙键的形成、可逆双硫键的形成、硼酸酯键的形成等）、非共价键作用（超分子相互作用，如氢键、离子键、π－π堆叠等）而引发修复功能的一类高分子材料。外援型自修复材料由于受修复剂的限制而无法实现多次修复，且修复的效果强烈依赖于修复剂的包覆效果。 2外植型自修复材料 外植体自修复材料系统主要是微胶囊自修复系统和液芯纤维自修复系统[。微胶囊法，顾名思义，起恢复作用的是事先在身体里的微胶囊。内部含有治愈剂，出现裂纹时，裂纹尖端的应力作用释放出内部治愈剂，与埋在材料内部的催化剂发生化学反应，达到修复裂纹的目的。其优点是能更好地防止微裂纹扩散，有效地提高聚合物材料的寿命。微胶囊自我治愈的概念首先由白色等[2]提出，这种微胶囊材料的保守剂内层是双环戊二烯（DCPD），外层用脲醛树脂包裹。然后将微胶囊与Grubbs催化剂均匀分散在环氧树脂体系中。微胶囊方法也有缺点。因为可以将治愈剂事先埋在材料中，然后在材料准备中添加催化剂，从而修复裂纹。因此，还有很多要考虑的因素，包括微裂纹扩展速度、治愈剂是否与催化剂反应良好、治愈剂是否扩展良好等。催化剂对治愈剂反应非常有效，只有当材料中的裂纹扩展速度高于材料内部的裂纹时，才能很好地防止裂纹的扩散，从而有效地保证了具有高分子材料的性能。由于修复核纤维的系统与微胶囊系统具有相同的机制，当材料出现裂缝时，会释放修复的物质并修复材料缺口。但是，液体的核纤维类型是将还原的材料倒入纤维材料中，然后将其隐藏在材料中。纤维素型是微胶囊自我修复系统的扩展。 3本征型自修复高分子材料 本征型自修复高分子材料是一种在外力或外能作用下被一定程度的破坏后，无需施加能量和力量即可自我修复的材料。目前，国内外相关团队都进行了大量自我修复材料的研究，开发出的自我修复聚合物材料大致分为具有可逆共享耦合的自我修复聚合物材料两种。具有可逆非共结的聚合物材料 3.1可逆Dieal-Alder（DA）反应自修复 DA反应是一种受温度影响的可逆化学反应，其作用原理的本质是加成成环反应受温度控制的可逆反应。具体是一个含有活泼双键或三键的化合物与共轭二烯类化合物进行加成成环反应，此反应活化能低，反应速度快，当温度升高，反应方向调转，生成活性基团。所以，在温度的影响下，DA可逆反应便是该高分子材料的自修复原理。 3.2基于酰腙键型的自修复高分子材料 基于酰肼结合的价耦合自愈系统的机理是醛固反应产生的酰肼结合断裂后自发生长。s . BOD等，如果ph大于4，则转换为凝胶状态；如果ph小于4，则转换为溶胶状态；如果调整ph值，则可以自我修复。这种材料在聚乙二醇两端修改二苯甲酰肼后，与3[(4-醛基苯氧化物-甲基]乙烷反应，从而在缩合反应机制中产生自修复聚合物。如果系统ph值在一定范围内发生变化，酰九头蛇关键点将被破坏和重建，宏观上表现为材质的自愈行为。 3.3可逆N-O键自修复 可逆N-O键是一种键能比较低的化学键，在60℃便可发生热可逆反应，因此只需要外界提供较少的能量就能重新成键，来达到自修复的效果。Otsuka等将烷氧胺基（C-O-N）单元创造性地与高分子材料结合，使得原来无法进行自修复的高分子材料具有了自修复的能力，并且还保留了该种高分子原有的可降解的性能。Sakai等在C-O-N重复单元与单体进行共聚，形成了一种嵌段共聚物，这种高分子材料可以通过烷氧胺基的断裂与重组来实现自修复行为。但是，此种材料的自修复温度要达到126℃，并且需要修复6~12h才能完成，修复温度较高且修复时间较长，这一自修复条件限制了该种材料的应用前景。 4自修复高分子材料的应用 科学家们不断改善其性能，以满足人类日常需求，从而大规模应用聚合物自修复材料。善俊基等制造了模拟荷叶表面蜡治疗的自愈超水性涂料，刮伤表面后光的氧化会削弱超疏水性的氟硅烷群疏水性，开始吸收环境中的水，然后将材料内部的氟硅烷群移到表面，恢复涂层的超疏水性功能。haraguchi等制造了具有有机聚合物-无机粘土网络结构的纳米复合水凝胶，当材料横截面接触时，表面的聚合物链相互交织，通过氢键形成新的共享键合，从而恢复断裂链接。智能自修复聚合物材料目前在人工肌肉等生物工程领域以及宇宙飞船、火箭发动机零部件等航天领域初次使用。另外，墙壁结构、桥梁建设等建筑领域也在逐渐发挥其优越性。相信不久将给全人类带来技术革命。 结束语 材料在使用的过程中使用时间、温度和其他因素，则会出现材料损坏、疲劳等现象，主要是裂纹，如果出现裂纹，则会降低材料的机
在全球范围内，研究人员正围绕锂离子电池进行着激烈的竞争，他们工作的目标是寻找到在锂离子电池负极存储更多电能的途径，以便更进一步地提高锂离子电池的性能，同时降低电池的重量。迄今为止，人们认为最具有发展前景的电极材料之一是硅。电池在充电时，硅材料电极拥有极强的从电池液中摄取锂离子的能力；放电时，它能迅速地释放存储的锂离子让电池输出电能。 但是，如此高性能的后面则是高昂的代价。每当电池充电时，硅电极的体积会膨胀至正常大小的3倍，放电后再恢复至原形。于是，具有脆性的硅材料很快就会出现裂痕并脱落，严重地影响电池的性能。对于高性能电池来说，电极的缺陷是它们普遍具有的问题。不过，锂离子电池电极的问题有望在不久的将来得到解决，因为美国斯坦福大学和能源部科学家近日表示，他们首次研发出了能够进行自我修复的电池电极，该研究成果为汽车、手机和其他设备制造下代锂离子电池开辟了新的潜在可行的途径。 斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室联合研究小组介绍说，自我修复电极采用已广泛应用在半导体和太阳能电池行业的硅微粒材料制成，其核心是在电极表面覆盖具有延展性的高分子涂层，该材料相互间紧密相连。电池在工作时，如果涂层出现微小裂痕，高分子材料能够自我修复这些裂痕。相关的研究报告将发表在最新的《自然·化学》杂志上。 斯坦福大学博士后、文章作者之一王超（音译）表示，动物和植物的自我修复能力对它们的生存和长寿十分重要，研究小组所希望的是将自我修复的特性在锂离子电池中体现出来，以便电池具有更长的寿命。在斯坦福大学鲍振安（音译）教授领导的实验室中，王超开发出了自我修复的高分子材料。鲍教授的研究小组从事弹性电子皮肤材料的研究，该材料用于机器人、假肢等。清华大学研究人员吴辉（音译）是文章的主要作者之一，他曾在斯坦福大学做博士后研究。 在电池项目上，研究人员将微小的碳纳米粒子加入高分子材料中让其导电。为获得自我修复涂层材料，他们有意地采取措施，弱化了高分子内某些化学键，如此处理后的材料容易出现断裂，但是断裂端又能以化学方式相吸引，很快再次连接起来，如同DNA等生物分子实现组装、重排和断裂的过程。 研究显示，自我修复电极在经过上百次充/放循环后，电能存储能力没有显著的下降。鲍教授说，在电池电极具有自我修复高分子涂层后，由于高分子材料能在数小时内修复自身的微小裂痕，因此电池的寿命延长了10倍。SLAC国家加速器实验室教授、与鲍教授共同领导研究的副教授崔毅（音译）认为，现在电池储能的能力已实现了实用范围值，不过他们仍将继续向更高的目标努力，因为上百次充/放电的数据离手机500次以及电动汽车3000 次充/放电的目标还有相当大的差距。