近日，材料科學領域取得重要突破，美國工程院院士、美國人文與科學院院士、美國得克薩斯農工大學教授Edwin L. Thomas、Svetlana A. Sukhishvili研究團隊報道了一種基于Diels-Alder聚合物（DAP）的共價自適應網絡（CAN）薄膜。該材料在超音速微彈體沖擊下展現出顯著的穿刺自愈能力與動能吸收性能，為開發新一代抗沖擊防護材料提供了新思路。相關論文以Supersonic puncture-healable and impact resistant covalent adaptive networks為題，發表在《Materials Today》期刊，第一作者為Sang Zhen。

研究背景

高速沖擊防護材料在航空航天、軍事裝備等領域需求迫切。傳統材料（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能吸收效率低。動態共價網絡材料（如Diels-Alder聚合物）因其可逆鍵合特性，在宏觀尺度自愈領域已有研究，但納米尺度下超高速沖擊（應變速率>10? s?¹）的動態響應機制尚不明確。

材料設計與制備

研究團隊設計了一種基于呋喃-馬來酰亞胺動態共價鍵的DAP薄膜。通過調節交聯劑比例（馬來酰亞胺與呋喃摩爾比0.4–1.0），控制材料的玻璃化轉變溫度（Tg~8–40°C）和動態鍵解離溫度（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）驗證了網絡結構的穩定性。

超高速沖擊性能測試

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

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），而傳統玻璃態熱塑性材料（如聚苯乙烯、聚碳酸酯）的穿孔通常更大。

圖1. DAP 網絡、LIPIT 裝置和撞擊 DAP 薄膜的穿孔形態。

2.動能吸收效率：DAP薄膜的比動能吸收（E_p*）達1.1–1.4 MJ/kg，與聚苯乙烯薄膜相當，但自愈效率（η=0.8）顯著高于永久交聯的DDM網絡（η=0.2）（圖2d）。

圖2. 穿刺愈合效率和KE吸收能力的解剖形態學和比較。

3.化學結構恢復：紅外納米光譜（AFM-IR）證實，沖擊區域的Diels-Alder鍵特征峰（1190 cm?¹）與未沖擊區一致，表明動態鍵在沖擊后成功重組（圖3b）。

圖3.通過化學和形態學分析了解穿刺愈合行為。

自愈機制解析

研究提出四階段動態響應機制（圖4）：

1.沖擊壓縮與局部升溫：彈體沖擊引發絕熱升溫（T > T_{rDA），導致動態鍵解離，網絡部分液化。}

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絡通過塑性變形吸收動能。

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

4.動態鍵重組：溫度降至T_DA以下時，DA鍵重新形成，恢復網絡完整性。

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

應用前景與優化方向

該材料在輕量化空間碎片防護、柔性裝甲等領域潛力巨大。作者指出，未來可通過引入氫鍵或多重動態共價鍵進一步提升性能，或通過增加預聚物分子量增強粘塑性熔體強度，平衡能量吸收與自愈效率。

結論

此項研究首次揭示了動態共價網絡材料在超高速沖擊下的多尺度響應機制，為設計兼具自愈性、高韌性和能量耗散能力的先進材料提供了理論依據與實驗范式。