近日，材料科學(xué)領(lǐng)域取得重要突破，美國工程院院士、美國人文與科學(xué)院院士、美國得克薩斯農(nóng)工大學(xué)教授Edwin L. Thomas、Svetlana A. Sukhishvili研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于Diels-Alder聚合物（DAP）的共價(jià)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（CAN）薄膜。該材料在超音速微彈體沖擊下展現(xiàn)出顯著的穿刺自愈能力與動(dòng)能吸收性能，為開發(fā)新一代抗沖擊防護(hù)材料提供了新思路。相關(guān)論文以Supersonic puncture-healable and impact resistant covalent adaptive networks為題，發(fā)表在《Materials Today》期刊，第一作者為Sang Zhen。

研究背景

高速?zèng)_擊防護(hù)材料在航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域需求迫切。傳統(tǒng)材料（如離子聚合物Surlyn或芳綸纖維Kevlar）雖具有一定抗沖擊性，但自愈能力不足或動(dòng)能吸收效率低。動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)材料（如Diels-Alder聚合物）因其可逆鍵合特性，在宏觀尺度自愈領(lǐng)域已有研究，但納米尺度下超高速?zèng)_擊（應(yīng)變速率>10? s?¹）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制尚不明確。

材料設(shè)計(jì)與制備

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于呋喃-馬來酰亞胺動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的DAP薄膜。通過調(diào)節(jié)交聯(lián)劑比例（馬來酰亞胺與呋喃摩爾比0.4–1.0），控制材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg~8–40°C）和動(dòng)態(tài)鍵解離溫度（T_rDA=116°C）。利用旋涂法成功制備了厚度70–435 nm的超薄薄膜，并通過紅外光譜（ATR-FTIR）和熱分析（DSC）驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

超高速?zèng)_擊性能測試

研究采用激光誘導(dǎo)微彈體沖擊測試（LIPIT），以3.7 μm二氧化硅彈體（速度300–750 m/s）轟擊薄膜，結(jié)合超高速成像（3 ns分辨率）和電子顯微鏡（SEM）實(shí)時(shí)觀測沖擊過程。結(jié)果顯示：

1.穿孔自愈性：DAP薄膜的穿孔直徑（d_h）比彈體直徑（d_p）小38%（圖1c），而傳統(tǒng)玻璃態(tài)熱塑性材料（如聚苯乙烯、聚碳酸酯）的穿孔通常更大。

圖1. DAP 網(wǎng)絡(luò)、LIPIT 裝置和撞擊 DAP 薄膜的穿孔形態(tài)。

2.動(dòng)能吸收效率：DAP薄膜的比動(dòng)能吸收（E_p*）達(dá)1.1–1.4 MJ/kg，與聚苯乙烯薄膜相當(dāng)，但自愈效率（η=0.8）顯著高于永久交聯(lián)的DDM網(wǎng)絡(luò)（η=0.2）（圖2d）。

圖2. 穿刺愈合效率和KE吸收能力的解剖形態(tài)學(xué)和比較。

3.化學(xué)結(jié)構(gòu)恢復(fù)：紅外納米光譜（AFM-IR）證實(shí)，沖擊區(qū)域的Diels-Alder鍵特征峰（1190 cm?¹）與未沖擊區(qū)一致，表明動(dòng)態(tài)鍵在沖擊后成功重組（圖3b）。

圖3.通過化學(xué)和形態(tài)學(xué)分析了解穿刺愈合行為。

自愈機(jī)制解析

研究提出四階段動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制（圖4）：

1.沖擊壓縮與局部升溫：彈體沖擊引發(fā)絕熱升溫（T > T_{rDA），導(dǎo)致動(dòng)態(tài)鍵解離，網(wǎng)絡(luò)部分液化。}

2.雙軸拉伸與能量耗散：液化層降低界面摩擦，減少材料剝離，而部分解離的粘彈性網(wǎng)絡(luò)通過塑性變形吸收動(dòng)能。

3.穿孔斷裂與彈性恢復(fù)：沖擊后，未完全解離的網(wǎng)絡(luò)在冷卻過程中通過熵彈性收縮閉合穿孔。

4.動(dòng)態(tài)鍵重組：溫度降至T_DA以下時(shí)，DA鍵重新形成，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)完整性。

圖4.Diels-Alder 聚合物網(wǎng)絡(luò)中變形、穿刺和愈合過程的微米和分子尺度 3D 示意圖。

應(yīng)用前景與優(yōu)化方向

該材料在輕量化空間碎片防護(hù)、柔性裝甲等領(lǐng)域潛力巨大。作者指出，未來可通過引入氫鍵或多重動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵進(jìn)一步提升性能，或通過增加預(yù)聚物分子量增強(qiáng)粘塑性熔體強(qiáng)度，平衡能量吸收與自愈效率。

結(jié)論

此項(xiàng)研究首次揭示了動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)材料在超高速?zèng)_擊下的多尺度響應(yīng)機(jī)制，為設(shè)計(jì)兼具自愈性、高韌性和能量耗散能力的先進(jìn)材料提供了理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)范式。