刘昭明研究员Adv. Mater.：动态有机-无机互穿纳米网络破解刚度-弯曲耐久性材料难题

兼具高刚度和弯曲耐久性的材料在柔性电子、可穿戴设备、航空航天装备、软体机器人和防护系统等领域具有重要应用前景。然而，传统材料体系中这两类力学性能通常难以兼得。金属、陶瓷等无机材料虽具有高刚度，但在循环弯曲下易发生疲劳断裂；聚合物和弹性体虽具有良好的柔韧性，却普遍存在刚度不足的问题。传统颗粒增强复合材料虽可提高刚度，但无机颗粒团聚和不均匀界面容易引发应力集中，导致材料在反复弯折过程中发生疲劳失效。因此，如何在提升材料刚度的同时保持优异的弯曲耐久性，仍是材料领域的重要挑战。

近日，浙江大学化学系刘昭明研究员团队将互穿双网络设计理念拓展至有机-无机杂化体系，提出以无机网络替代无机纳米颗粒的策略，让刚性无机网络与柔性有机网络在纳米尺度相互贯穿，同时引入动态可逆的界面键合，成功实现高刚度与弯曲耐久性的协同提升（图1）。

图1  不同结构材料的力学特性对比与动态有机-无机互穿纳米网络设计原理

研究者以分子尺度磷酸钙离子寡聚体为无机前驱体，以具有三维纳米纤维网络结构的细菌纤维素为有机骨架，通过原位离子聚合构筑了细菌纤维素–磷酸钙动态有机–无机互穿纳米网络复合材料。该复合材料中有机纤维素网络与无机磷酸钙网络在纳米尺度上相互贯穿，形成均匀的互穿双网络结构。与传统颗粒填充型复合材料相比，该结构显著增加了有机相与无机相之间的界面接触面积，为应力传递和能量耗散提供了结构基础。更重要的是，两相界面存在动态可逆的相互作用。在外力作用下，这些动态键合可作为牺牲键发生可逆解离，从而耗散变形能；外力撤去后，界面相互作用能够重新形成。由此，材料实现了“刚性无机网络承担载荷、动态有机–无机界面耗散能量”的协同机制。

图2 有机-无机互穿纳米网络的微观结构与力学性能

得益于这一独特结构，该复合材料表现出优异的综合力学性能。其弯曲刚度与金属镍相媲美，明显高于商用聚丙烯、传统颗粒杂化材料以及已报道的无机纤维基柔性薄膜。同时，该材料在 20000 次循环弯曲后仍未发生疲劳断裂，且拉伸强度无明显衰减，显示出优异的弯曲疲劳耐久性和力学稳定性。此外，该材料在−196 °C 至200 °C的宽温域内保持稳定，在液氮环境中经 90° 弯曲仍不发生脆性断裂，并在高湿环境下保持良好的力学性能（图2）。

该研究将互穿网络结构从纯有机体系拓展至有机–无机杂化体系，为解决高刚度材料弯曲耐久性不足的问题提供了新的设计思路，也为面向防护系统和极端环境服役的高性能复合材料开发提供了重要参考。该工作得到国家自然科学基金、浙江大学等资助。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73753

图文：刘昭明研究员课题组

编辑：黄珍珍  邹尔纯

审核：陆展