蜻蜓翅膀具有從微納尺度到宏觀尺度的獨特分級結(jié)構(gòu)，其中，剛性的翅脈能夠抵抗機械變形，從而給翅膀提供所需的強度和剛度，而嵌入翅脈中的翅膜則能夠有效的分散外界作用力，所以翅膜和翅脈組合而成的連通型混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有協(xié)同增強作用。同時，而同時，由于蜻蜓翅膀具有高度規(guī)則的分級結(jié)構(gòu)和特殊的止裂效果，它還具有優(yōu)異的韌性、承載能力和抗疲勞能力，這也給翅膀提供了保護(hù)作用，防止空氣摩擦使蜻蜓翅膀折斷。基于上述分析，南京理工大學(xué)的傅佳駿教授、四川大學(xué)的傅強教授和吳凱副研究員采用定構(gòu)加工的思路，提出了一種仿蜻蜓翅膀微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料設(shè)計策略—在硬而脆的可修復(fù)聚合物基體中植入三維互聯(lián)的MXene骨架結(jié)構(gòu)，解決了剛性可修復(fù)材料脆性斷裂的問題。與初始的脆性可修復(fù)材料相比，制備的仿生復(fù)合材料的剛度提高了3.8倍，強度提高了25.0倍，應(yīng)變提高了7.9倍，而斷裂韌性則提高了54.3倍。更為重要的，三維互聯(lián)的MXene骨架結(jié)構(gòu)還賦予了復(fù)合材料快速的光控可修復(fù)性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及良好的可修復(fù)電磁屏蔽功能。

上述研究成果以“Dragonfly Wing-Inspired Architecture Makes a Stiff yet Tough Healable Material”為題發(fā)表在Cell Press在物質(zhì)材料領(lǐng)域的旗艦期刊《Matter》上。南京理工大學(xué)17級博士研究生徐建華(現(xiàn)為南京林業(yè)大學(xué)中比先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)材料聯(lián)合實驗室的副教授)和19級碩士研究生柳童為論文第一作者，南京理工大學(xué)傅佳駿教授和四川大學(xué)傅強教授、吳凱副研究員為論文通訊作者。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、南京理工大學(xué)自主科研新方向培育項目、總裝預(yù)研和國防科技項目基金等項目的資助。

圖1 蜻蜓翅膀的實物圖及仿生復(fù)合材料的制備表征分析

作者受到蜻蜓翅膀微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，首先將MXene納米片包覆在剛性可修復(fù)的聚合物材料表面，而后通過熱壓定構(gòu)加工的方式制備了仿生復(fù)合材料。光學(xué)顯微鏡和透射顯微鏡證明了復(fù)合材料內(nèi)部的仿生微結(jié)構(gòu)—形成了三維互聯(lián)的MXene骨架；XPS證明MXene骨架和聚合物直接存在強大的界面氫鍵相互作用，這也有助于提升復(fù)合材料整體的機械性能。

圖2 仿生復(fù)合材料的機械性能

三點彎曲實驗證實，在聚合物網(wǎng)絡(luò)中植入MXene互聯(lián)骨架，仿生復(fù)合材料的機械性能提到了顯著提升；與初始可修復(fù)聚合物材料相比，剛度提高了3.8倍，強度提高了25.0倍，應(yīng)變提高了7.9倍；對比實驗證實，在聚合物基體中加入同等含量的烏龜分散的MXene納米片，其增強效果有限，遠(yuǎn)低于具有仿生微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。更為重要的是，單邊缺口梁實驗證實，初始的可修復(fù)材料為脆性斷裂的材料，而制備的仿生復(fù)合材料去表現(xiàn)出韌性斷裂的特征，其斷裂韌性也提升了54.3倍；電鉆打孔實驗證實，可以輕易的仿生復(fù)合材料表明打孔，而初始的可修復(fù)材料則無法打孔，這也說明了兩者的斷裂特征迥異。對比實驗證實，作者制備的仿生復(fù)合材料的增強增韌效果遠(yuǎn)高于目前報道的復(fù)合材料。

圖3 仿生復(fù)合材料的的斷裂SEM和有限元模擬實驗

作者通過SEM和有限元模擬實驗研究了仿生復(fù)合材料的外援增強增韌機理。對于初始的可修復(fù)聚合物缺口試樣，其裂紋沿缺口尖端直線增長，從而導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂行為；相反的，在仿生復(fù)合材料中，其主裂紋沿著曲線軌跡擴展延伸，保證裂紋難以直接穿透整個聚合物基體。仿生復(fù)合材料的裂紋演化過程包含多種的增韌機制，包括裂紋偏轉(zhuǎn)、界面分層、裂紋分支橋接和界面摩擦。有限元模擬實驗表明，對于初始的可修復(fù)聚合物材料，其單邊缺口梁實驗的最大應(yīng)力集中在裂紋尖端；對于仿生復(fù)合材料，其最大的應(yīng)力位于互聯(lián)的MXene骨架中，故其裂紋尖端的應(yīng)力遠(yuǎn)低于初始的可修復(fù)材料。簡單來說，仿生復(fù)合材料中的三維互聯(lián)仿生結(jié)構(gòu)具有類似于蜻蜓翅膀中翅脈的作用，能夠承載大量的外界作用力，從而減少裂紋簡單的應(yīng)力集中，有效提高復(fù)合材料的斷裂韌性。

圖4 仿生復(fù)合材料的修復(fù)性能

隨著溫度的升高，可修復(fù)聚合物基體中的UPy氫鍵逐漸由結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)移到離解狀態(tài)；上述加熱的變化過程可以暫時性地降低了組裝體的分子量和模量，導(dǎo)致聚合物鏈的流動性增強；聚合物鏈的快速流動性有助于聚合物的修復(fù)過程，故初始的可修復(fù)材料具有不錯的加熱修復(fù)的能力。仿生復(fù)合材料中的MXene三維互聯(lián)骨架具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力和良好的熱傳導(dǎo)能力，其可將近紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚瑫r三維互聯(lián)的骨架有助于熱量的快速傳遞，故仿生復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、快速、高精度地原位光控修復(fù)過程。修復(fù)實驗證實，仿生復(fù)合材料樣品在近紅外光照射30s后就能修復(fù)表面劃痕及自身機械性能。

全文鏈接：

https://authors.elsevier.com/c/1dAw89CyxcxOZS

四川大學(xué)實驗室主頁：

https://www.x-mol.com/groups/fuqiang

南京林業(yè)大學(xué)實驗室主頁：

https://www.x-mol.com/groups/nfu-ugent/people

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