文章导读
传统防护材料长期困于“强而不韧”的固有矛盾，而螳螂虾附肢的刚柔渐变结构却给出了仿生答案。西安交大张彦峰团队通过单体扩散与动态网络重构，构筑出厚度约60微米连续模量梯度界面的刚柔集成材料，其7层梯度样品韧性达98.5 MJ/m³，约为纯刚性材料的41倍，实弹冲击测试中更可将弹丸安全嵌入而仅产生局部变形。这种无缝梯度界面究竟如何破解应力集中与层间脱粘的难题？
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高速冲击载荷下的高效能量耗散是航空航天、装甲防护等领域的核心需求，但传统防护材料长期面临 “强而不韧” 的固有矛盾。自然界中螳螂虾的附肢通过从刚性外层到柔性内层的无缝模量过渡，实现了高强度与高韧性的协同，为材料设计提供了仿生范本。然而，现有仿生硬柔复合材料大多依赖粘合剂或非共价作用组装，模量突变界面易引发应力集中和层间脱粘，严重制约防护效能。
针对上述瓶颈，西安交通大学化学学院张彦峰教授团队提出单体扩散与动态网络重构相结合的策略，成功构筑了具有连续模量梯度界面的刚柔集成多层材料。该研究以聚双环戊二烯（pD）为刚性相、其与环辛烯共聚物（pDC）为柔性相，利用动态烯烃复分解化学实现网络热激活重构。柔性单体向预固化刚性网络扩散并原位聚合，伴随动态共价键交换形成交联密度连续变化的过渡区，最终构建出厚度约 60 微米的无缝梯度界面。团队采用聚集诱导发光分子与量子点双荧光标记策略实时追踪单体扩散动力学，纳米压痕测试进一步证实了连续模量梯度的形成。
所制备的 7 层梯度材料（7L-G）展现出卓越的强韧协同性能：拉伸强度达 51.7 MPa，断裂伸长率 261.0%，韧性达 98.5 MJ/m³，约为纯刚性 pD 的 41 倍。动态冲击测试中，7L-G 在高应变率下表现出的体积比吸能显著优于近期发表的抗冲击材料。实弹弹道冲击测试（133 J）更直观展示了其优异防护能力： 7L-G 即可将弹丸安全嵌入，仅产生局部变形；而纯刚性样品则完全碎裂。有限元模拟揭示，连续模量过渡有效抑制了界面应力波反射与能量局部化。
该研究证实了模量梯度界面在提升刚柔材料界面完整性与能量耗散效率方面的关键作用，为下一代高性能抗冲击防护材料提供了通用设计策略。
仿生刚柔结合抗冲击材料的制备与抗冲击性能
该研究成果近日以《具有卓越的能量耗散性的仿生刚-柔梯度结合材料》（Bio-Inspired Rigid–Flexible Integrated Materials With Gradient Interphases for Superior Energy Dissipation）发表于材料领域顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）。西安交通大学化学学院助理教授崔晨晖为论文第一作者，张彦峰教授与中国科学技术大学马丽副研究员为共同通讯作者，西安交通大学为第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省高校青年创新团队、陕西省重点研发计划、军事医学科技研究计划、陕西省博士后科研资助项目、陕西先进材料实验室等项目资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74952
张彦峰教授课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/yanfengzhang/
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