《Compos. Part B》郑轻大张晓静：研制出缺陷不敏感共晶凝胶，实现厘米级断裂内聚长度

研究背景

柔性电子技术的快速发展对关键材料提出了更高要求，尤其是在可穿戴设备、软体机器人和极端环境监测等领域。共晶凝胶作为一种新兴的绿色材料，凭借其环境友好性、宽温域稳定性以及低制备成本，成为替代传统水凝胶和离子凝胶的理想选择。其基于低共熔溶剂的体系具备高离子电导率、低挥发性及可调控的物理化学性质，在柔性传感、能量存储和人机交互等领域展现出广阔前景。

然而，共晶凝胶在实际应用中面临一个关键挑战：在变形条件下易发生裂纹扩展。由于其聚合物网络结构通常存在交联分布不均或强度不足的问题，即便微小的制造缺陷或使用损伤也可能在循环应力下发展为宏观裂纹，导致器件功能失效。这一问题严重限制了共晶凝胶在需要高可靠性和长期稳定性的工程场景中的应用。

值得注意的是，尽管已有研究通过双网络结构、超分子组装或溶剂置换等策略提升共晶凝胶的韧性，但材料的缺陷不敏感性仍普遍不足。例如，经典双网络共晶凝胶的断裂内聚长度仅约1.1 mm，而可聚合共晶凝胶更是低至0.01 mm。断裂内聚长度作为衡量材料容忍缺陷能力的关键指标，其值过低意味着材料在实际使用中难以抵抗毫米级瑕疵的扩展。因此，开发兼具高断裂韧性、长断裂内聚长度及宽温域稳定性的共晶凝胶体系，成为该领域的重要研究方向。

主要工作内容

为解决上述问题，郑州轻工业大学张晓静教授团队提出了一种基于多交联型多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）的普适性设计策略，成功构建了具有“非均匀网络-刚性纳米核心”结构的纳米复合共晶凝胶。该凝胶通过POSS的八双键交联点形成链富集区（高交联密度）与链贫乏区（低交联密度）的异质网络，其中链富集区作为第一道屏障分散裂纹尖端应力，纳米级刚性POSS核心作为第二道屏障进一步阻止裂纹扩展。分子动力学模拟证实，该结构可通过氢键重构与能量耗散协同提升韧性。实验结果标明，POSS基共晶凝胶的断裂内聚长度达1.19 cm，断裂韧性为3934 J/m²，其在1000次拉伸循环后切口几乎无扩展，并具备低滞后性（滞后比<8.5%）、强附着力（最高68.6 kPa）及-40℃抗冻性。基于该凝胶的柔性传感器在常温和低温下均表现出稳定的应变响应（应变系数GF=1.97），可精准监测人体关节运动。该策略可拓展至聚丙烯酰胺、聚羟乙基甲基丙烯酸酯等共晶凝胶体系，为极端环境柔性电子器件提供了创新设计思路。该工作以“A universal strategy for flaw-insensitive nanocomposite eutectogels with centimeter-scale fractocohesive length using multi-crosslinkable polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)”为题发表于《Composites Part B: Engineering》。郑州轻工业大学樊凯奇副教授为第一作者，张晓静教授为通讯作者。

图1 POSS基共晶凝胶与常规共晶凝胶在抗撕裂性能方面的差异性示意图

图2 POSS基共晶凝胶的力学性能

图3 POSS基共晶凝胶拉伸过程的分子动力学模拟

图4 POSS基共晶凝胶的抗冻性和导电性

图5 POSS基共晶凝胶在不同温度下的传感性能