科研人员以蜻蜓翅膀为灵感打造出坚硬而强韧的可修复材料

来源:中国科学报

日前,南京理工大学教授傅佳骏和四川大学教授傅强、副研究员吴凯合作报道了一种以蜻蜓翅膀为灵感打造的坚硬而强韧的可修复材料。相关论文日刊登于《物质》。

年来,研究人员专注于开发具有高强度、高模量的可修复材料,这类材料在智能建筑、航空航天、汽车工业等领域具有广阔应用前景。然而,目前报道的基于超分子相互作用的刚可修复材料都表现出脆断裂的特征。

蜻蜓翅膀具有从微纳尺度到宏观尺度的独特分级结构,这种分级结构完美地赋予了其卓越的力学能。例如,蜻蜓翅膀中刚的翅脉能够抵抗机械变形,从而给翅膀提供所需的强度和刚度,而嵌入翅脉中的翅膜则能够有效分散外界作用力,所以翅膜和翅脉组合而成的连通型混合网络结构具有协同增强作用。研究证实,蜻蜓的翅膀是轻量化的,其比强度和比刚度高于商用航空铝合金。同时,由于蜻蜓翅膀具有高度规则的分级结构和特殊的止裂效果,还具有优异的韧、承载能力和抗疲劳能力,这也给翅膀提供了保护作用,防止空气摩擦造成蜻蜓翅膀折断。

研究人员通过定构加工的思路,在硬而脆的可修复聚合物基体中植入三维互联的仿蜻蜓翅膀微结构骨架,解决了刚可修复材料脆断裂的问题。与初始材料相比,制备的仿生复合材料的综合力学能有了显著提升,其刚度提高了3.8倍,强度提高了25倍,应变提高了7.9倍,断裂韧则提高了54.3倍。

此外,制备的仿生复合材料还具有快速的光控可修复能、优异的热稳定以及良好的电磁屏蔽能力,是一种多功能集成的坚韧复合材料。

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