《Compos. Part B》鄭輕大張曉靜：研制出缺陷不敏感共晶凝膠，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)斷裂內(nèi)聚長(zhǎng)度

研究背景

柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)關(guān)鍵材料提出了更高要求，尤其是在可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人和極端環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。共晶凝膠作為一種新興的綠色材料，憑借其環(huán)境友好性、寬溫域穩(wěn)定性以及低制備成本，成為替代傳統(tǒng)水凝膠和離子凝膠的理想選擇。其基于低共熔溶劑的體系具備高離子電導(dǎo)率、低揮發(fā)性及可調(diào)控的物理化學(xué)性質(zhì)，在柔性傳感、能量存儲(chǔ)和人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。

然而，共晶凝膠在實(shí)際應(yīng)用中面臨一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：在變形條件下易發(fā)生裂紋擴(kuò)展。由于其聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常存在交聯(lián)分布不均或強(qiáng)度不足的問題，即便微小的制造缺陷或使用損傷也可能在循環(huán)應(yīng)力下發(fā)展為宏觀裂紋，導(dǎo)致器件功能失效。這一問題嚴(yán)重限制了共晶凝膠在需要高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的工程場(chǎng)景中的應(yīng)用。

值得注意的是，盡管已有研究通過雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、超分子組裝或溶劑置換等策略提升共晶凝膠的韌性，但材料的缺陷不敏感性仍普遍不足。例如，經(jīng)典雙網(wǎng)絡(luò)共晶凝膠的斷裂內(nèi)聚長(zhǎng)度僅約1.1 mm，而可聚合共晶凝膠更是低至0.01 mm。斷裂內(nèi)聚長(zhǎng)度作為衡量材料容忍缺陷能力的關(guān)鍵指標(biāo)，其值過低意味著材料在實(shí)際使用中難以抵抗毫米級(jí)瑕疵的擴(kuò)展。因此，開發(fā)兼具高斷裂韌性、長(zhǎng)斷裂內(nèi)聚長(zhǎng)度及寬溫域穩(wěn)定性的共晶凝膠體系，成為該領(lǐng)域的重要研究方向。

主要工作內(nèi)容

為解決上述問題，鄭州輕工業(yè)大學(xué)張曉靜教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多交聯(lián)型多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）的普適性設(shè)計(jì)策略，成功構(gòu)建了具有“非均勻網(wǎng)絡(luò)-剛性納米核心”結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合共晶凝膠。該凝膠通過POSS的八雙鍵交聯(lián)點(diǎn)形成鏈富集區(qū)（高交聯(lián)密度）與鏈貧乏區(qū)（低交聯(lián)密度）的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，其中鏈富集區(qū)作為第一道屏障分散裂紋尖端應(yīng)力，納米級(jí)剛性POSS核心作為第二道屏障進(jìn)一步阻止裂紋擴(kuò)展。分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)，該結(jié)構(gòu)可通過氫鍵重構(gòu)與能量耗散協(xié)同提升韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明，POSS基共晶凝膠的斷裂內(nèi)聚長(zhǎng)度達(dá)1.19 cm，斷裂韌性為3934 J/m2，其在1000次拉伸循環(huán)后切口幾乎無(wú)擴(kuò)展，并具備低滯后性（滯后比<8.5%）、強(qiáng)附著力（最高68.6 kPa）及-40℃抗凍性。基于該凝膠的柔性傳感器在常溫和低溫下均表現(xiàn)出穩(wěn)定的應(yīng)變響應(yīng)（應(yīng)變系數(shù)GF=1.97），可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。該策略可拓展至聚丙烯酰胺、聚羥乙基甲基丙烯酸酯等共晶凝膠體系，為極端環(huán)境柔性電子器件提供了創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路。該工作以“A universal strategy for flaw-insensitive nanocomposite eutectogels with centimeter-scale fractocohesive length using multi-crosslinkable polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)”為題發(fā)表于《Composites Part B: Engineering》。鄭州輕工業(yè)大學(xué)樊凱奇副教授為第一作者，張曉靜教授為通訊作者。

圖1 POSS基共晶凝膠與常規(guī)共晶凝膠在抗撕裂性能方面的差異性示意圖

圖2 POSS基共晶凝膠的力學(xué)性能

圖3 POSS基共晶凝膠拉伸過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬

圖4 POSS基共晶凝膠的抗凍性和導(dǎo)電性

圖5 POSS基共晶凝膠在不同溫度下的傳感性能