2025年10月29日，相關工作以“Multiscale interlinked structures limit fatigue crack propagation in a MXene-polyurethane composite”為題發表在《Nature Communications》。

自修復材料在邁向商業化過程中長期受困于抗疲勞性、剛度、熱穩定性與自修復能力之間難以調和的矛盾。在動態自修復材料體系中，如何同步顯著提升這些看似相互排斥的性能，仍是一個極具挑戰性的課題。基于Lake-Thomas理論所揭示的材料分子設計局限，本研究跳出傳統鏈結構設計的框架，轉而從多尺度微納結構調控入手，構建了一種由MXene納米片三維框架與聚合物連續硬相互聯所形成的動態高階結構。該結構不僅可以通過限制聚合物鏈運動賦予材料高硬度，還能有效抑制疲勞裂紋擴展，顯著提升抗疲勞性能；同時，其既能抑制熱激活效應以增強熱穩定性，又具備高效光熱轉化能力，實現了材料快速自修復。這一策略為同步突破自修復材料多項性能瓶頸提供了新方向。

研究團隊通過一種基于強界面作用的自主裝策略，成功構筑了具有多尺度動態高階結構的自修復復合材料（CPU/MP）。該材料同時兼具納米尺度的連續硬相與微米尺度的連續填料框架結構。得益于這一巧妙的結構設計，材料在保持高效自修復能力的同時，其模量與疲勞閾值亦獲得顯著提升。測試結果表明，該復合材料的疲勞閾值高達 8226.3 J·m?²，這一性能表現遠超大多數已報道的粘彈性自修復材料。

圖1. 展示了多尺度動態結構的構造示意圖，并對比了CPU/MP與其他材料的疲勞閾值及楊氏模量

該高性能復合材料采用自下而上的自組裝策略制備，其設計核心在于構建多尺度互連的動態高階結構。制備過程主要包括以下三個關鍵步驟：首先，合成具有連續動態硬相結構的水性自修復聚氨酯（CPU）；其次，利用植酸對MXene進行表面改性，制備得到MXene-PA納米片；最后，在氫鍵驅動下，使MXene-PA與CPU發生界面自組裝，成功構建出MXene-PA@CPU復合結構（即CPU/MP材料）。重要的是，透射電子顯微鏡的觀測結果直接證實了該多尺度動態結構的成功形成。結合分子動力學模擬與變溫紅外光譜分析，研究進一步揭示，CPU與MXene-PA之間顯著增強的界面相互作用，是誘導并穩定該多級結構形成的內在關鍵因素。

圖2. 多尺度動態結構的設計流程及實驗表征

隨后，通過拉伸試驗對IPU、CPU、CPU/MP及CPU/M等一系列材料的力學性能進行了系統評估。結果表明，隨著動態高階結構的逐步引入，材料的綜合力學性能顯著提升。CPU的模量達到28.5 MPa，較IPU（0.3 MPa）有大幅提高；進一步引入連續MXene框架形成CPU/MP后，其模量進一步提升至51.1 MPa，相當于IPU的56.8倍。相比之下，不具備多尺度動態結構的CPU/M模量僅為12.2 MPa，凸顯了結構設計在增強材料抗變形能力方面的關鍵作用。

在抗變形能力測試中，CPU/MP表現出最優的硬度，可完全支撐自重而不發生彎曲。同時，其韌性達到405.9 MJ·m?³，為IPU的86.4倍。尤為值得注意的是，CPU/MP的疲勞閾值（Γ_th）高達8226.3 J·m?²，相當于IPU的339.9倍。即便在能量釋放速率達到7933.0 J·m?²的條件下，該材料經歷萬次循環拉伸后仍未觀察到裂紋擴展。

研究認為，CPU/MP優異的抗疲勞性能源于其獨特的內部結構。該結構能夠在納米與微米尺度上實現協同作用，顯著增強材料的彈性能儲存與應力耗散能力，從而大幅提升疲勞閾值（Γ_th）。這一結構設計策略成功實現了抗疲勞性與剛度之間的協同增強，突破了現有材料設計中往往難以兼顧二者的技術瓶頸。

圖3. CPU/MP的綜合力學性能研究及抗疲勞機制解析

與此同時，多尺度動態高階結構的引入顯著提升了CPU/MP材料的熱穩定性。動態熱機械分析（DMA）結果表明，其流動溫度提高至210 °C，且在200 °C高溫下仍能保持10 MPa以上的儲能模量。為直觀驗證其耐熱性能，研究人員開展了火焰灼燒實驗。在約400 °C的火焰作用下，CPU/MP樣條可連續承載20 g重物長達35秒，而IPU、CPU等參照材料均在十幾秒內迅速失效，直觀證明了CPU/MP所具有的卓越耐熱性與高溫結構完整性。

高溫蠕變實驗進一步證實了其優異的熱機械穩定性。在65 °C（接近IPU流動溫度）條件下，CPU/MP的蠕變伸長率極低，100秒內僅為0.8%，較IPU降低了15.5倍，且在應力撤除后能夠完全恢復原狀，未產生永久變形。更為突出的是，CPU/MP在70 °C的較高溫度下仍能保持高達965.5 J·m?²的疲勞閾值，該數值甚至超過大多數粘彈性材料在室溫下的性能表現。

研究指出，CPU/MP優異的熱穩定性源于其內部受限氫鍵簇網絡的獨特構筑。該結構通過多羥基分子橋聯作用，在有限空間內形成密集且幾何構型優化的氫鍵陣列，從而顯著增強了材料抵抗熱激活破壞的能力。此外，CPU/MP的活化能達到82.7 kJ·mol?¹，與動態共價聚合物網絡相當，從機理層面進一步解釋了其卓越的熱穩定性。

圖4. CPU/MP的熱穩定性能研究

CPU/MP復合材料在受損后表現出快速、高效的自修復性能。實驗結果表明，切斷后的CPU/MP試樣在室溫下僅需接觸1分鐘，即可實現有效愈合，并承受相當于自重100倍的載荷，顯示出優異的即時自粘接能力。在120 °C條件下，材料表面的微米級劃痕可在1分鐘內完全消失，進一步印證其高效修復特性。

進一步研究發現，其快速修復機制并不完全依賴于傳統的“鏈擴散”理論，而主要歸因于斷裂界面處具有更高運動能力的自由端鏈段。該機制已通過原子力顯微鏡下的粘附力測試得到直接驗證。

為實現更具實用價值的修復方式，研究團隊利用材料內部三維互連MXene框架的高效光熱轉換能力，開發出一種近紅外光觸發自愈合策略。在808 nm近紅外光照射下，CPU/MP可在數秒內實現局部升溫，最高溫度達125 °C，并據此在1分鐘內完成對穿孔結構的修復。經該處理后，切口試樣的力學性能恢復率高達95.5%，展現出精準可控的按需修復能力。

圖5. CPU/MP的光控自修復性能及機制研究

本研究成功解決了合成材料領域一個長期存在的關鍵挑戰—如何在單一材料中實現高剛度、優異抗疲勞性、高效自修復能力及高溫穩定性之間的協同統一。通過構建多尺度互連動態高階結構，研究團隊首次在該類材料體系中實現了上述性能的同步提升。所開發的CPU/MP復合材料展現出顯著的綜合性能優勢：其疲勞閾值高達8226.3 J·m?²，較基準材料提升了339.9倍；楊氏模量達到51.1 MPa，增幅達56.8倍。該材料在200 °C高溫條件下仍能保持結構完整性，并可在近紅外光觸發下于1分鐘內實現高效自修復，從而克服了傳統自修復材料愈合效率低的技術局限。

本研究提出的多尺度結構設計策略成功將材料的破壞模式由災難性斷裂轉變為可控的疲勞裂紋擴展，從根本上提升了材料的損傷容限。這一機制轉變為解決材料性能間的傳統矛盾提供了新思路，為發展新一代高性能自修復材料開辟了全新方向。該突破在柔性電子、智能機器人及高性能增材制造等前沿領域具有重要的應用潛力。

論文信息：

期刊：Nature Communications

題目：Multiscale interlinked structures limit fatigue crack propagation in a MXene-polyurethane composite

作者：Tong Liu, XueBin Wang, FuYao Sun, Lin Wang, ChenYao Hu, BoWen Yao, JianHua Xu^*& JiaJun Fu^*

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64611-8