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西南科大常冠軍教授和康明教授團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：動(dòng)態(tài)鍵驅(qū)動(dòng)高強(qiáng)韌復(fù)合材料的設(shè)計(jì)新策略
2024-12-20  來(lái)源：高分子科技

  復(fù)合材料的強(qiáng)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(duì)矛盾體。傳統(tǒng)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)中充斥著靜態(tài)的高能共價(jià)鍵，一旦斷裂便會(huì)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(jìn)而限制其在特殊場(chǎng)景中的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)并建立復(fù)合材料中填料和高分子基底之間的相互物理化學(xué)作用，對(duì)于構(gòu)建高性能復(fù)合材料具有重大的理論和應(yīng)用價(jià)值。


  鑒于此，西南科技大學(xué)常冠軍教授、康明教授聯(lián)合南方科技大學(xué)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(shù)脂，構(gòu)筑具有三種界面π-π堆積相互作用的復(fù)合物。在受到外界力場(chǎng)刺激時(shí)，三種界面π-π堆積相互作用可以通過(guò)本身“斷裂-重構(gòu)”的特性產(chǎn)生連續(xù)的驅(qū)動(dòng)力以促使微球產(chǎn)生“滾動(dòng)行為”，從而更高效率地耗散內(nèi)部集中的應(yīng)力，協(xié)同提高了材料的強(qiáng)度和韌性，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)性，并有望在極端環(huán)境中應(yīng)用。這項(xiàng)研究提出的策略創(chuàng)新性地結(jié)合了力學(xué)和化學(xué)的方法，協(xié)同提升了復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)提高了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和熱驅(qū)動(dòng)性，進(jìn)而為設(shè)計(jì)新一代高性能復(fù)合材料提供了全新思路。相關(guān)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(xué)材料與化學(xué)學(xué)院材料科學(xué)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(dòng)微球滾動(dòng)構(gòu)筑高性能復(fù)合環(huán)氧樹(shù)脂的示意圖


圖2. 復(fù)合環(huán)氧樹(shù)脂的機(jī)械性能


圖3. 復(fù)合環(huán)氧樹(shù)脂的熱性能


圖4.“滾動(dòng)行為”的理論模擬


圖5.“滾動(dòng)行為”的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證


  此項(xiàng)工作是團(tuán)隊(duì)近幾年來(lái)關(guān)于高強(qiáng)韌聚合物材料的制備和應(yīng)用研究的最新進(jìn)展之一。聚合物材料的強(qiáng)度和韌性是其應(yīng)用過(guò)程中，最需要關(guān)注的性能。但由于聚合物材料本身的物理化學(xué)特性，協(xié)同提升聚合物材料的強(qiáng)度和韌性依然是一個(gè)重大的難點(diǎn)問(wèn)題。據(jù)此，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了利用動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（Nat. Commun. 2022, 13, 3231）和動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵（陽(yáng)離子-π相互作用, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2111021）來(lái)協(xié)調(diào)聚合物材料強(qiáng)度和韌性的研究。研究結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)鍵的引入可以通過(guò)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(qiáng)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(bǔ)聚合物材料強(qiáng)度和韌性的不足亦是常見(jiàn)方法。在前期工作中，團(tuán)隊(duì)探究了二氧化硅微球?qū)酆衔锊牧蟽?nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響（Polym. Test. 2020, 90, 106749），并設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)鍵進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zé)任編輯：xu）
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