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西南科大常冠軍教授和康明教授團隊 Adv. Mater.：動態(tài)鍵驅(qū)動高強韌復合材料的設計新策略
2024-12-20  來源：高分子科技

  復合材料的強度和韌性是其微觀高分子鏈段和填料相互作用形式的宏觀體現(xiàn)，通常呈現(xiàn)為一對矛盾體。傳統(tǒng)復合材料的微觀結(jié)構(gòu)中充斥著靜態(tài)的高能共價鍵，一旦斷裂便會造成微觀結(jié)構(gòu)的不可逆破壞，從而影響材料的穩(wěn)定性，進而限制其在特殊場景中的應用。因此，設計并建立復合材料中填料和高分子基底之間的相互物理化學作用，對于構(gòu)建高性能復合材料具有重大的理論和應用價值。


  鑒于此，西南科技大學常冠軍教授、康明教授聯(lián)合南方科技大學康天懌助理教授，以自制的吲哚改性二氧化硅微球結(jié)合吲哚基環(huán)氧樹脂，構(gòu)筑具有三種界面π-π堆積相互作用的復合物。在受到外界力場刺激時，三種界面π-π堆積相互作用可以通過本身“斷裂-重構(gòu)”的特性產(chǎn)生連續(xù)的驅(qū)動力以促使微球產(chǎn)生“滾動行為”，從而更高效率地耗散內(nèi)部集中的應力，協(xié)同提高了材料的強度和韌性，復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率較高分子基底分別提高了49.8%和358.9%。此外，作者還發(fā)現(xiàn)，微球的“滾動行為”呈現(xiàn)出了“力-熱等效性”，賦予材料優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和熱驅(qū)動性，并有望在極端環(huán)境中應用。這項研究提出的策略創(chuàng)新性地結(jié)合了力學和化學的方法，協(xié)同提升了復合材料的強度和韌性，同時提高了復合材料的熱穩(wěn)定性和熱驅(qū)動性，進而為設計新一代高性能復合材料提供了全新思路。相關工作以“Constructing High-Performance Composite Epoxy Resins: Interfacial π-π Stacking Interactions-Driven Physical Rolling Behavior of Silica Microspheres”為題發(fā)表在最新一期的《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2024, 2415485），西南科技大學材料與化學學院材料科學與工程專業(yè)在讀博士研究生唐巧林為本文第一作者。


圖1. 界面π-π堆積相互作用驅(qū)動微球滾動構(gòu)筑高性能復合環(huán)氧樹脂的示意圖


圖2. 復合環(huán)氧樹脂的機械性能


圖3. 復合環(huán)氧樹脂的熱性能


圖4.“滾動行為”的理論模擬


圖5.“滾動行為”的實驗驗證


  此項工作是團隊近幾年來關于高強韌聚合物材料的制備和應用研究的最新進展之一。聚合物材料的強度和韌性是其應用過程中，最需要關注的性能。但由于聚合物材料本身的物理化學特性，協(xié)同提升聚合物材料的強度和韌性依然是一個重大的難點問題。據(jù)此，團隊開展了利用動態(tài)共價鍵（Nat. Commun. 2022, 13, 3231）和動態(tài)非共價鍵（陽離子-π相互作用, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2111021）來協(xié)調(diào)聚合物材料強度和韌性的研究。研究結(jié)果表明，動態(tài)鍵的引入可以通過其特有的“斷裂-重構(gòu)”行為不斷地耗散能量，從而協(xié)調(diào)聚合物材料強度和韌性（Chem. Eng. J. 2021, 414, 128820；ACS Appl. Polym. Mater. 2024, 10.1021/acsapm.4c03628）。此外，為聚合物基底添加功能型填料，彌補聚合物材料強度和韌性的不足亦是常見方法。在前期工作中，團隊探究了二氧化硅微球?qū)酆衔锊牧蟽?nèi)部網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的影響（Polym. Test. 2020, 90, 106749），并設計具有界面相互作用的二氧化硅微球（Langmuir 2024, 40, 16, 8685?8693），隨即創(chuàng)新性地將界面相互作用和動態(tài)鍵進行結(jié)合，實現(xiàn)對聚合物材料的高性能的研究突破。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202415485

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（責任編輯：xu）
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