由于碳纤维增强树脂基复合材料（CFRPs）具有轻质高强的优势，在交通运输、装备制造、安全防护、风力发电等领域的作用越发重要。该材料用量持续增长，已成为不可或缺的关键战略材料。CFPPs通常由碳纤维布与环氧树脂等热固性塑料复合而成。这些热固性塑料可以固定碳纤维的取向结构，使CFRPs呈现高强特性，但也导致了CFRPs缺乏柔性、抗撕裂能力差等问题。因此，现有的CFRPs通常难以满足软体机器人、个人防护设备等新兴领域对柔性高强碳纤维复合材料的需求。此外，塑料粘合剂的热固性还导致CFRPs难以拆解和回收，引起的资源浪费和环境污染问题也受到人们的极大关注。因而，亟须采用新的设计理念，开发能与碳纤维牢固粘附的可回收弹性体粘合剂，以制备可循环利用的柔性复合材料。而满足上述需求的弹性体粘合剂不仅需具备高力学强度和韧性，以维持柔性CFRPs的力学强度；还需同时具有较低的模量和高的能量耗散能力，以确保外力在CFRPs中的大面积传导并被高效耗散，从而赋予柔性CFRPs优异的抗撕裂能力。在一个弹性体中同时集成高粘附性、高力学强度、低弹性模量、高韧性和高抗撕裂能力仍然面临巨大挑战，因为这些性能通常相互排斥。
最近，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室孙俊奇教授与王晓晗博士以氢键和配位键共同构成的高结合能“多层级超分子作用力”交联高柔性的聚四氢呋喃（PTMG）链段，成功制备了兼具低模量（5.6 MPa）、高强度(83 MPa)、高韧性(619 MJ m-3)、高断裂能(357 kJ m-2)的可逆交联聚氨酯弹性体（PU）（图1）。将PU弹性体溶解在乙醇中制备成粘合剂溶液，并将其刷涂在T300级别的碳纤维布表面。待溶剂挥发后，即可制得单层的柔性CFRPs（PU-CF）。由于PU与碳纤维之间可能发生氢键作用，因此PU能够牢固地黏附在碳纤维表面，粘附力可达1.3 MPa。将单层PU-CF按需堆叠并经热压处理，可以制备多层PU-CF。制备的单层或多层PU-CF中PU的含量为35 wt%，其断裂强度和韧性分别高达767 MPa和64.9 MJ m-3，相较于未复合PU的碳纤维布的同类指标均提高了两倍以上（图2）。PU-CF具有卓越的抗穿刺能力和创纪录的抗撕裂能力，其刺穿力和抗撕裂能的数值分别高达52.9 N和2012 kJ m-²（图3）。PU-CF卓越的抗撕裂性能归因于PU弹性体高效的能量耗散能力（如图4所示）。其机制如下：当PU-CF被撕裂时，即使施加较小的撕裂力，也会使低模量的PU发生显著形变，从而将撕裂力传导到较大的面积，避免裂口处的应力集中；随着撕裂力的增大，PU内部具有高结合能的“多层级超分子作用力”能够逐步解离，从而高效耗散撕裂力；在极限撕裂力的作用下，PU和碳纤维之间的牢固粘附力确保了垂直于裂纹扩展方向上的碳纤维以成股的方式断裂，而不会从复合材料中脱黏抽离。这样，每根纤维都能充分发挥其最大抵抗损伤扩展的能力；同时，裂纹顶端的PU粘合剂也表现出卓越的抗撕裂性能。在这些因素的共同作用下，PU-CF复合材料展现出令人惊叹的抗撕裂能力。基于“多层级超分子作用力”和PU与CF之间氢键的动态可逆性，柔性CFRPs可以通过热压修复缺陷。利用这种动态可逆性，PU-CF之间的交联位点可在乙醇溶液中解离，实现PU-CF的拆解以及对碳纤维和PU的无损回收。这种柔性CFRPs在个人防护设备领域具有重要的应用前景。该研究以 “Engineering of Reversibly Cross‐Linked Elastomers Toward Flexible and Recyclable Elastomer/Carbon Fiber Composites with Extraordinary Tearing Resistance”为题，发表在最新一期的《Advanced Materials》杂志上。论文的通讯作者为孙俊奇教授，第一作者为王晓晗助理教授，工作受到了国家自然科学基金引导类原创探索计划项目、青年基金项目和重点项目的资助。图1 PU的制备。a,b) PU弹性体的制备过程；c,d) 利用流变仪对PU弹性体内部“多层级超分子作用力”结合能的表征；e) “多层级超分子作用力”的结构式；f) PU弹性体的应力-应变曲线；g) PU弹性体的SAXS图谱；h) PU弹性体的结构示意图。图2. PU-CF的制备和力学强度。a) PU-CF的制备过程示意图；b) PU-CF的实物照片；c) PU与CF之间的粘附力；d) PU-CF单轴拉伸实验示意图以及实验后断裂材料的照片；e) PU-CF的应力-应变曲线。图3 PU-CF的抗撕裂能力。A) PU-CF被钢针穿刺的照片；b)PU-CF的穿刺力-位移曲线；c)PU-CF被钢针刺穿后的照片和SEM照片；d)PU-CF的裤形撕裂示意图和被撕裂时的实物照片；e) PU-CF的撕裂力-位移曲线；f，g，h，i) PU-CF被撕裂后表面（f,g）和剖面（h，i）位置的SEM图片。j）PU-CF用于个人防护材料的示意图。图4 PU-CF优异抗撕裂能力的机理。a,b) PU弹性体在形变量为100%和300%的加载/卸载实验下取得的应力-应变曲线，插图为对应应变时的2D-SAXS图谱；c) PU弹性体被拉伸到不同形变后的滞后环面积；d) PU弹性体和单侧引入长度占样条总宽度五分之一切口的PU弹性体的应力-应变曲线。插图为带有切口的弹性体被拉伸至800%形变时的实物照片；e) PU-CF的抗撕裂能力的机理示意图。图5 a) PU弹性体的DMA曲线；b) PU-CF修复缺陷前后的照片；c) PU-CF在乙醇中的解离以及回收PU和CF的过程照片；d) 原始和回收后的PU-CF和PU弹性体的应力-应变曲线。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202406252
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