动态共价网络与光热微胶囊：一种协同策略，用于自主修复多尺度缺陷

《Materials Today Chemistry》：Dynamic covalent networks and photothermal microcapsules: A synergistic strategy for autonomous repair of multi-scale defects

本研究提出双壳微胶囊/改性环氧树脂复合材料（DMMEC），通过动态共价键自适应网络和近红外响应的局部粘弹性流动协同作用，实现微米级电气树和亚毫米级机械损伤的高效修复（机械强度恢复91.3%，电气强度90.4%），突破低掺杂浓度下自修复效率与基体性能的固有矛盾。

　　本研究提出了一种基于微胶囊的双自修复机制，旨在解决聚合物材料在低微胶囊掺杂浓度下的多尺度损伤修复难题。随着现代工程技术对材料性能的不断追求，传统的自修复方法在面对大规模损伤时表现出修复能力不足的问题。特别是在低掺杂浓度（<5 wt%）的情况下，微胶囊系统的修复效率往往无法满足实际应用需求。本研究通过设计一种双壳微胶囊/改性环氧树脂复合材料（DMMEC），实现了对多尺度损伤的高效修复，突破了现有技术在修复效率与材料性能之间的固有矛盾。

在材料应用领域，聚合物因其优异的机械性能和绝缘特性被广泛用于电气设备的绝缘和封装。然而，在长期运行过程中，这些材料容易受到电热机械等多因素耦合作用的影响，从而产生不同尺度的损伤。例如，微米尺度的电气树现象和亚毫米尺度的机械裂纹等，都会显著降低材料的使用寿命和可靠性。现有的检测技术在面对这类逐渐发展的损伤时存在局限性，无法及时、准确地识别并修复问题区域，这成为影响设备稳定运行的关键因素之一。

微胶囊技术作为一种具有广泛应用前景的自修复策略，已经在结构材料中展现出独特的性能优势。该技术通过将修复剂封装在微胶囊中，并利用特定的触发机制（如机械破裂、超声波激活、pH响应或微波照射）实现修复剂的释放，从而修复材料的损伤。由于其灵活的激活方式和可定制的修复剂选择，微胶囊技术被广泛应用于自修复、自润滑、防腐蚀和自报告等不同场景。然而，目前的微胶囊系统在低掺杂浓度下，对亚毫米级损伤的修复效果仍不理想。而较高的微胶囊掺杂浓度虽然能够提升修复效率，但同时也可能对材料的电学和机械性能造成不利影响，限制了其在实际工程中的应用。

针对这一挑战，本研究提出了一种新的双自修复策略。该策略结合了动态共价键网络的构建和光热响应微胶囊的设计，以实现对不同尺度损伤的高效修复。首先，通过在环氧树脂中引入5 wt%的对苯二醛（TPA）作为交联剂，成功构建了具有拓扑重构能力的动态共价键网络。这种网络赋予材料在受损后能够自主进行结构调整和修复的能力，从而在不依赖外部介质的情况下实现自修复。其次，设计了一种具有双层异质壳结构的聚氨酯/聚苯胺（PU/PANI）微胶囊。这种微胶囊不仅具备机械支撑功能，还集成了光热转换特性，使得其在受到红外光照射时能够产生局部的热效应，从而引发环氧树脂基体的粘弹性流动，缩小损伤传播路径，同时保持材料整体的机械性能。通过这两种机制的协同作用，实现了对大规模损伤的高效修复。

在实验过程中，研究团队发现微胶囊与基体之间的介电性能差异可以引导微米尺度的电气树损伤向特定区域发展。这种特性使得即使在较低的微胶囊掺杂浓度（2 wt%）下，也能实现对微米尺度电气树损伤的高效修复。通过红外光的照射，微胶囊能够产生局部的热响应，促使修复剂的释放，并引导其填充到受损区域，从而实现材料的自我修复。实验结果表明，该复合材料在遭受2毫米长、100微米宽的机械划痕后，其机械强度和电学性能的恢复率分别超过了91.3%和90.4%。这一成果不仅验证了双自修复机制的有效性，也展示了其在实际应用中的巨大潜力。

此外，研究团队还对所制备的微胶囊进行了详细的表征分析。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，可以清晰地看到微胶囊的形态特征。合成的微胶囊具有均匀的分布、光滑的表面以及一致的壳层厚度，平均厚度约为3.5微米。这些特征确保了微胶囊在材料中能够稳定存在，并在需要时有效释放修复剂。同时，通过能量色散X射线光谱（EDS）分析，可以观察到微胶囊表面的钛元素分布情况，进一步确认了磁性粒子在微胶囊壳层中的成功引入。这些表征结果为理解微胶囊在材料中的行为提供了重要的依据。

本研究还探讨了磁性靶向技术在提升修复效率方面的应用。该技术通过在微胶囊壳层中引入磁性粒子，使得微胶囊能够在磁场的引导下被运输到损伤区域，从而提高其在低掺杂浓度下的修复能力。然而，这种方法的修复范围较为有限，只能针对特定的区域进行修复，难以满足大规模损伤修复的需求。相比之下，本研究提出的双自修复机制能够实现对不同尺度损伤的同步修复，且无需依赖外部的磁性场或其他复杂的激活手段，更加符合实际工程应用的要求。

在自修复机制的设计上，本研究注重材料的内在特性与外部刺激的协同作用。通过构建动态共价键网络，材料能够在受到损伤后自主进行结构重构，从而实现自修复。同时，光热响应微胶囊的引入使得材料在受到红外光照射时能够产生局部的热效应，进而触发修复过程。这种双重机制的结合，不仅提高了修复效率，还避免了传统方法中因高掺杂浓度导致的材料性能下降问题。此外，该方法还能够在不破坏材料整体结构的情况下，实现对微米尺度电气树损伤的高效修复，这对于提高电气设备的可靠性和安全性具有重要意义。

实验结果表明，DMMEC在遭受大规模机械损伤后，能够迅速恢复其机械强度和电学性能。这一性能的恢复不仅依赖于微胶囊的释放和修复剂的填充，还与材料内部的动态共价键网络密切相关。动态共价键网络能够有效吸收和分散外部应力，防止损伤的进一步扩大，同时在修复过程中提供必要的结构支撑。通过这种协同作用，DMMEC在保持材料整体性能的同时，实现了对多种损伤类型的高效修复。这一成果为未来聚合物材料的自修复技术提供了新的思路，也为解决多尺度损伤修复难题提供了可行的解决方案。

本研究的创新点在于，通过引入动态共价键网络和光热响应微胶囊，实现了对多尺度损伤的同步修复。这一方法不仅克服了传统自修复技术在低掺杂浓度下的修复能力不足问题，还避免了高掺杂浓度对材料性能的负面影响。此外，该方法还能够利用微胶囊与基体之间的介电性能差异，实现对微米尺度电气树损伤的精准修复，从而提升材料在电气设备中的应用价值。实验结果进一步验证了该方法的有效性，表明DMMEC在机械强度和电学性能方面均表现出优异的恢复能力。

在实际应用中，DMMEC的自修复能力可以显著延长聚合物材料的使用寿命，降低维护成本，并提高设备运行的可靠性。特别是在电气设备中，由于电气树损伤和机械裂纹的存在，材料的性能会逐渐下降，进而影响设备的正常运行。通过引入双自修复机制，DMMEC能够在不依赖外部刺激的情况下，实现对这些损伤的自动修复，从而提升材料的耐久性和安全性。此外，该方法的低掺杂浓度设计也使得材料的性能保持在较高水平，避免了传统方法中因高掺杂浓度导致的性能退化问题。

综上所述，本研究提出了一种基于双自修复机制的新型聚合物材料修复策略，成功克服了传统微胶囊自修复系统在修复效率与材料性能之间的矛盾。通过动态共价键网络的构建和光热响应微胶囊的设计，DMMEC能够在低掺杂浓度下实现对多尺度损伤的高效修复。这一方法不仅为自修复材料的发展提供了新的方向，也为解决实际工程中面临的材料损伤问题提供了可行的解决方案。未来，随着该技术的进一步优化和推广，有望在更多领域实现其应用价值。