在材料科学领域，自修复聚合物因其独特的自我修复能力备受关注，广泛应用于新能源、生物医学和航空航天等领域。然而，这些自修复高分子材料呈现出机械强度普遍偏低（拉伸强度＜30MPa）的现象，极大地影响其使用寿命和安全性，限制了材料的应用范围。通过对高分子材料进行分子结构设计制备出强度高的自修复高分子材料是目前该研究领域的一大研究热点。

  鉴于此，广西大学王双飞院士团队系统地探讨了自修复高分子材料自愈性能和力学强度不能兼容的原因，概述了如何通过仿生设计、分子结构优化和纳米填料复合等策略，实现高强度与高效自修复性能的平衡。此外，还对高强度自修复高分子材料所面临的挑战和前景进行了展望。

  该综述以题为“Research progress of high-strength self-healing polymer materials: Balance between mechanical strength and self-healing efficiency”发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

文章要点：

  高分子材料的自修复能力需要高分子链有一定扩散性，以实现损伤部位的分子扩散和动态键重排。然而，这种分子链段的运动能力本质上限制了聚合物网络的交联密度，导致材料难以形成稳定、规整的结构来有效传递应力，进而造成力学强度下降。因此，材料的自修复性能与力学性能之间存在内在矛盾。

  为解决这一问题，在这篇综述中，作者提出了三种高强度自修复聚合物的设计策略：模拟生物体自修复机制的仿生设计；基于分子结构构建多重网络并平衡性能的体系设计；利用纳米材料增强特性并优化性能的复合策略。

图1 高强度自修复高分子材料的三种设计策略

1.仿生设计策略

图2. (A) 珍珠母微观结构受力分析；(B) 贻贝足丝单丝结构：近段波纹状（左），远段直状（右）；(C) 贻贝降解-自修复全周期分子机制：(D) 贻贝降解-自修复微观结构变化。

• 贝壳启发的层状结构：具有定向分层的层状结构可以从多个尺度对复合材料的性能和机制进行优化。
  

• 贻贝组织启发的功能梯度结构：这种梯度构型可以实现平滑的应力传递、分布和局部性能的匹配，达到减少界面应力和改善能量耗散的目的，同时还能为材料提供显著的各向异性，使结构能够快速响应外部刺激。

• 
  

图3. (A)蜘蛛丝结构示意图；(B)拉伸释放后的IPDI - SPU2000弹性体结构示意图；(C) SPU复合材料不同的应力-应变曲线；(D,E) IPDI-SPU????弹性体修复效率（拉伸强度/断裂伸长率）与修复时间（D，100℃）和温度（E，36h）的关系。

• 蜘蛛丝启发的多相结构：通过在聚合物内部引入局域有序聚集的晶体结构，可以提高自修复高分子材料的韧性、模量、拉伸强度等力学性能，同时，基于硬-软多相结构，将晶体嵌入无定形基体中，并通过动态共价键或超分子相互作用连接，既提供了高热力学稳定性也保持了快速的动力学可逆性。

图4.（A）软骨组织结构示意图和软骨组织中的细胞间物质；(B)具有多功能人体肌肉特征的图式；(C) PU-BM的相互作用机制。

• 人体组织启发的网状结构：人体软骨组织是由胶原细胞和细胞间质组成，软骨基质中的蛋白多糖分子侧链通过氢键与胶原纤维连接，形成网状结构，大量胶原纤维交织成网状以承受较高的力，因此，这种具有强超分子相互作用的结构使软骨具有机械强度和韧性。

2.分子结构设计：动态键的精准调控

  通过设计具有高结晶度、高分子量、高分子链间相互作用力的分子结构，可以提高高分子材料的机械性能，也可以通过共聚或嵌段共聚的方式，将具有不同性能的单体组合在一起，制备出具有优异力学性能的高分子材料，而高分子链的流动性是促进自修复的关键因素，它是保证动态键有足够的链扩散和动态交换效率的先决条件。此外，由于高分子材料在愈合过程中需要消耗能量，这可能导致材料的能量储存和传递能力降低，从而影响其自愈性能和力学性能，所以为了制备出满足实际要求的高分子材料，需要在聚合物中引入多级能量牺牲键，包括动态共价键和动态非共价键等，以解决机械性能和自愈性能之间的冲突：

• 多重动态键协同：结合氢键、离子键、金属配位键等多种可逆相互作用，形成能量耗散路径，在提升强度的同时保持修复效率。

• 动态共价键优化：利用Diels-Alder反应、亚胺键、二硫键等动态共价化学，实现可控的键交换速率，平衡材料的刚性和自修复速度。

• 微相分离调控：通过硬段和软段的选择性交联，形成纳米尺度的微区结构，增强应力传递效率，同时保留分子链的流动性。

3.纳米复合增强：界面工程与多功能集成

  纳米填料提供了大量的表面积来附着官能团，通过形成共价键或分子间相互作用促进愈合；此外，由于其高比表面积和高表面能，纳米填料可以与基体材料形成更牢固的界面结合，从而提高材料的整体力学性能（包括强度和韧性等）；同时，纳米填料可以有效地控制裂纹的扩展，从而提高材料的断裂韧性。纳米填料（如石墨烯、MXene、WS?等）的引入可显著提升聚合物的力学性能，同时不影响其自修复能力。关键进展包括：

• 界面动态键设计：在纳米填料表面修饰功能性基团（如氨基、羧基），与聚合物基体形成动态化学键（如氢键、亚胺键），增强界面相互作用。

• 应力传递优化：纳米片的定向排列或三维网络结构可有效分散应力，抑制裂纹扩展，提升材料的断裂韧性。

• 多功能协同：部分纳米填料（如MXene）兼具导电、光热转换等特性，使材料在自修复的同时具备传感、驱动等附加功能。

4.未来发展方向

  1.深入对多种动态键自修复机理的研究，在分子设计和材料制备过程中进行精细调控，以实现力学性能和自修复能力的最佳平衡；

  2.复合型自修复材料是未来的一大发展趋势，通过多种自修复机制的复合及纳米填料的引入设计具有高综合性能的自修复材料，同时应注意各个机制之间的协同配合机理；

  3.自修复效率的表征和量化方法不统一，评估和优化材料的长期稳定性和可靠性的标准也不统一，需要制定统一的测试标准；

  4.为了适应大规模生产与应用，对于具有明显应用前景的高强度自修复高分子材料，应该采用具有低成本、无害、安全的原料和助剂，并简化、优化产品合成路径。

  总之，利用新的设计策略得到更高强度的自修复高分子材料，在保证材料有效使用寿命的同时降低生产成本，则这些新材料将有望作为传统高分子材料的可持续替代品应用于某些特定的领域，自修复高分子材料将会具有更加美好的应用前景。

  广西大学轻工与食品工程学院2024级硕士研究生颜志辉为该工作的第一作者，赵辉副教授为该工作的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金项目，广西自然科学基和广西重点研发计划的支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164609