自愈市场是一个推动技术发展的动力，但生产这种材料的公司很少。剑桥大学工程系的 Lívia Ribeiro de Souza 博士领导的这项工作旨在改变这种状况。罗里·巴特勒报道。 “基础设施的自我修复非常有吸引力。如果有一种方法可以研究如何使基础设施使用寿命更长或不需要外部干预进行维修，这对我来说似乎是个好主意——当我们考虑二氧化碳排放量时，水泥生产占所有排放量的近 10% CO2 释放。”– Ribeiro de Souza 博士 2013 年，Ribeiro de Souza 博士获得了无国界科学奖学金，并开始从事由工程和物理科学研究委员会 (EPSRC) 资助的 Materials 4 Life 项目，以研究微流体如何产生用于胶凝材料自修复的微胶囊。 2017年，一个新的亲该项目由 EPSRC – Resilient Materials 4 Life (RM4L) 资助 – 旨在创造能够适应环境的材料，对有害行为产生免疫力，自我诊断恶化并在损坏时自我修复。最终目标是建筑材料的仿生多尺度损伤免疫力。Ribeiro de Souza 非常适合这项研究。她在巴西米纳斯吉拉斯联邦大学读化学，然后在 Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear 获得矿物科学与技术硕士学位。
（从左到右）Reganee Bagonyi 博士， Abir Al-Tabbaa 教授、Lívia Ribeiro de Souza 博士和 Chrysoula Litina 博士是参与 RM4L 项目的剑桥团队的成员。 （照片：剑桥大学工程系岩土与环境研究实验室 Benyi Cao。）开发自愈材料的 RM4L 研究分布在由四所英国大学组成的联盟中 -;剑桥、巴斯、布拉德福德和加的夫。该联盟正在研究延长建筑材料生命周期的一种方法是生产微胶囊、形状记忆聚合物（记住形状的聚合物）和使用细菌。微胶囊
基础设施中的裂缝是可以预料的，水泥的制造可以承受一定程度的压力。然而，在一定尺寸下，水泥中的裂缝允许足够的水和污染物进入，从而成为问题，促进钢筋的腐蚀，从而加剧劣化。“混凝土具有非常好的抗压强度，但它没有很好的良好的抗拉强度。事实上，它非常低，”Ribeiro de Souza 博士说。该大学联盟的微胶囊技术在制造阶段被添加到水泥中，释放出一种愈合剂，当基础设施发生严重断裂时会触发这种愈合剂。这 ar这篇文章首次出现在 The Manufacturer 杂志的 3 月/4 月号上。单击此处订阅
首先推动微胶囊想法的一个问题是如何在裂缝形成之前保持愈合剂不活跃。“通过封装愈合剂，在这种情况下可能是矿物质，例如例如硅酸钠或胶体二氧化硅，或环氧树脂或聚氨酯等聚合物，或细菌，我们可以将修复剂储存起来，直到需要时再使用。细菌非常有趣，因为如果有足够的有机底物，它可以产生大量碳酸钙，”她说。“然后，当出现裂缝时，微胶囊会破裂，释放出愈合剂，愈合过程就会发生。在制造阶段，将这些微胶囊与水泥、沙子和水混合也非常容易。”过程
使用微胶囊，他们的第一步是在实验室或商业开发材料l 合作伙伴。然后，对材料进行全面表征，以研究壳的核壳结构、稳定性和渗透性。使用微流体技术制造的微胶囊用于生产自愈系统（图片来源）通过将微胶囊嵌入水泥质材料中矩阵，团队可以研究矩阵和胶囊之间的相互作用；此外，还观察了修复剂释放的触发机制。最后，根据机械和运输性能的恢复，包括拉伸和压缩应力、透气性、吸附性（吸收或解吸的能力），进行自我修复性能评估液体通过毛细现象）和裂纹闭合。生命周期
“预测基础设施的生命周期是一个重要的问题，我们仍然没有明确的答案，因为涉及的因素太多，”她解释说.“当然，我们正在考虑加强建筑物的生命周期，但也降低了涉及的维护水平。我认为我说得对，大约 35-45% 的英国基础设施投资直接或间接地用于维修和保养。”由于水泥和混凝土恶劣的碱性环境，财团必须还要考虑微胶囊的保质期及其渗透性。在实验室中，他们使用膜乳化和微流体来研究微胶囊的特性。核心或修复剂也非常重要。”商业合作伙伴
英国的第一个自修复混凝土现场试验包括原位建造含有微胶囊、细菌、形状记忆聚合物和流网络技术在南威尔士的阿伯加文尼。2019 年，微胶囊在自修复混凝土中的首次商业应用发生在剑桥大学新土木工程大楼的外部楼板施工中。几家工业制造商一直在帮助该财团开发技术，包括生产胶囊、水泥系统、石墨烯和建筑化学品的合作伙伴。此外，Costain [见文章末尾的方框] 等承包商有兴趣在自己的建筑工地和制造设施中试用该产品。 Ribeiro de Souza 告诉 The Manufacturer，该财团在 2020 年的一个里程碑是应对制造挑战，这样他们就可以专注于扩大流程和现场试验。“如果我们考虑一天内制造和使用的混凝土的绝对数量-到今天的建设场景，我们正在谈论制造业价值链的急剧变化y，”她解释说。“想出一种需要封装的产品，无论是液体还是固体，都是生产微胶囊以实现长期自我修复基础设施的必要条件。”“当我想到这个产品的效果时在建筑行业，一个通常非常、非常有弹性并且对新产品有一定抵抗力的行业，看到兴趣是鼓舞人心的，”她说。“所以，就商业影响而言，这是谈话的一个非常重要的方面。而且，关于制造业，行业在基础设施和封装方面的变化，我认为这也会产生相当大的影响，有可能创造一个新的市场。”未来
Ribeiro de Souza 告诉制造商认为自愈市场是一个推动技术发展的动力，但生产这种材料的公司很少。在欧洲、南美、北美和亚洲可以找到几个研究小组a，但佣金中只有一个分拆。她补充说，从实验室研究到制造的转变，再加上行业合作伙伴的热情参与，对于该产品未来的成功至关重要。“据我所知，荷兰有一家公司提供自我修复产品使用细菌，这是从代尔夫特理工大学衍生出来的，该大学是最早开始研究自愈材料的大学之一。在这一点上，我们很少有公司将其商业化，这一点很重要。”来自 Costain 的一句话
通过合作方式，Costain 在领先的研究机构、客户中创建了一个博士生社区Ioanna Papanikolaou 是 Costain 研究、开发和创新团队的一员，该团队正在创建智能基础设施解决方案。和她的同事一起据推测，Papanikolaou 正在开发具有改造基础设施行业潜力的自修复材料技术。 “该项目旨在开发各种自主自愈系统（例如微胶囊、方解石沉淀细菌、形状记忆聚合物和血管网络），并在实际应用中展示这些技术。“Costain 与卡迪夫大学之间的密切合作，巴斯和剑桥允许这四种自我修复系统在建筑工地上进行扩展和试验。这是这些自我修复系统首次在英国的某个地点进行试验。“这些试验为研究人员提供了有关实际负载和环境条件下材料性能的有用见解。因此，M4L 研究的有希望的结果开发自修复水泥系统导致更大的研究项目 RM4L 获得战略资金，Costain 很自豪再次成为该项目的战略合作伙伴。修复水泥系统在特定商业应用中的使用以及解决不同的损坏场景和条件。“RM4L 将启动突破性研究，旨在将自我感知、自我诊断、自我免疫和自我报告功能嵌入水泥系统中，以便在基础设施材料和结构中开发真正的仿生反应。 Costain 资助了剑桥大学的一名研究人员使用纳米材料进行自我感知方面的研究。”
