1. 研究背景
自修復(fù)高分子材料可在損傷后自主愈合，延長服役壽命并提升安全性。然而，室溫自愈合體系多為柔軟的彈性體，難以同時滿足工程結(jié)構(gòu)中對高剛性與高強度的需求。通過密集氫鍵（H-bond）設(shè)計的玻璃態(tài)自愈合聚氨酯（GPU）雖具備剛性與自愈性能，但仍面臨脆性高、易吸濕及功能單一等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。另一方面，自然界的珍珠母結(jié)構(gòu)以“磚-泥”層狀構(gòu)型實現(xiàn)了剛韌兼?zhèn)渑c界面協(xié)同，為構(gòu)筑高性能復(fù)合體系提供了重要啟示。為此，南京理工大學(xué)傅家駿團隊受“逆向珍珠母”啟發(fā)，構(gòu)建了硼氮化物納米片（BNNSs）強化的玻璃態(tài)自愈合聚氨酯復(fù)合體系，實現(xiàn)了剛性、韌性、自愈、耐濕與高導(dǎo)熱性的多重統(tǒng)一。
2. 本文要點
1. 溶劑交換誘導(dǎo)自組裝，構(gòu)筑“逆向珍珠母”結(jié)構(gòu)。
通過溶劑交換-滾壓折疊工藝，BNNSs在GPU基體中形成層狀有序骨架，
實現(xiàn)了均勻分散與穩(wěn)健界面結(jié)合。該方法溫和、可擴展，克服了傳統(tǒng)納米填料團聚與界面弱化的問題。
2. 機械性能顯著提升，剛韌并存。
GPU-BNNSs40樣品的彎曲模量、強度、韌性及斷裂韌性分別提升至原來的6.6倍、14.4倍、490倍與35.7倍，展現(xiàn)出顯著的能量耗散與裂紋偏轉(zhuǎn)機制。
3. 自愈與功能協(xié)同。
盡管材料達到GPa級剛性，仍能在室溫下自愈合效率達95.8%。BNNS層狀結(jié)構(gòu)有效阻隔水汽，使復(fù)合材料在高濕條件下仍保持機械穩(wěn)定，并實現(xiàn)高達11.54 W·m?¹·K?¹的面內(nèi)導(dǎo)熱性能，成為新一代高性能熱界面材料的有力候選。
圖1. 展示GPU合成路線、BNNSs制備與復(fù)合材料分層結(jié)構(gòu)形貌
圖2. GPU-BNNSs的三點彎曲力學(xué)性能與斷裂韌化機制
圖3. 拉伸形貌與界面氫鍵的能量耗散行為
圖4. 室溫自愈性能評估與分子尺度H鍵松弛機制
圖5. BNNSs層狀屏障賦予材料優(yōu)異的防潮能力
圖6. 高取向BNNS骨架實現(xiàn)高效導(dǎo)熱與熱穩(wěn)定性表現(xiàn)
3. 研究結(jié)論
本研究通過“溶劑交換誘導(dǎo)自組裝”策略，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)仿生與分子工程的深度融合，成功制備出兼具高剛性、高韌性、室溫自愈、耐濕與高導(dǎo)熱性能的GPU-BNNSs仿生納米復(fù)合材料。其力學(xué)性能較原體系提升數(shù)百倍，同時保持優(yōu)異的自愈能力。BNNSs的致密層狀屏障結(jié)構(gòu)顯著改善了自愈聚氨酯的吸濕性，解決了長期困擾該類材料的“濕敏失效”難題；而其高取向的導(dǎo)熱通道使體系在電子器件熱管理中具備實際應(yīng)用潛力。該研究不僅突破了“剛性與自愈性難以共存”的理論瓶頸，也為高性能智能界面材料與自修復(fù)電子封裝材料的開發(fā)提供了可行路徑。
4. 文章信息
Jiaoyang Chen, Dong Wang, Jiajun Fu*. Stiff yet Tough, Moisture‐Tolerant, Room Temperature Self‐Healing and Thermoconductive Biomimetic Nanocomposites. Advanced Materials, 2025, e07548.
https://doi.org/10.1002/adma.202507548
