《Compos. Part B》鄭輕大張曉靜：研制出缺陷不敏感共晶凝膠，實現厘米級斷裂內聚長度

研究背景

柔性電子技術的快速發展對關鍵材料提出了更高要求，尤其是在可穿戴設備、軟體機器人和極端環境監測等領域。共晶凝膠作為一種新興的綠色材料，憑借其環境友好性、寬溫域穩定性以及低制備成本，成為替代傳統水凝膠和離子凝膠的理想選擇。其基于低共熔溶劑的體系具備高離子電導率、低揮發性及可調控的物理化學性質，在柔性傳感、能量存儲和人機交互等領域展現出廣闊前景。

然而，共晶凝膠在實際應用中面臨一個關鍵挑戰：在變形條件下易發生裂紋擴展。由于其聚合物網絡結構通常存在交聯分布不均或強度不足的問題，即便微小的制造缺陷或使用損傷也可能在循環應力下發展為宏觀裂紋，導致器件功能失效。這一問題嚴重限制了共晶凝膠在需要高可靠性和長期穩定性的工程場景中的應用。

值得注意的是，盡管已有研究通過雙網絡結構、超分子組裝或溶劑置換等策略提升共晶凝膠的韌性，但材料的缺陷不敏感性仍普遍不足。例如，經典雙網絡共晶凝膠的斷裂內聚長度僅約1.1 mm，而可聚合共晶凝膠更是低至0.01 mm。斷裂內聚長度作為衡量材料容忍缺陷能力的關鍵指標，其值過低意味著材料在實際使用中難以抵抗毫米級瑕疵的擴展。因此，開發兼具高斷裂韌性、長斷裂內聚長度及寬溫域穩定性的共晶凝膠體系，成為該領域的重要研究方向。

主要工作內容

為解決上述問題，鄭州輕工業大學張曉靜教授團隊提出了一種基于多交聯型多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）的普適性設計策略，成功構建了具有“非均勻網絡-剛性納米核心”結構的納米復合共晶凝膠。該凝膠通過POSS的八雙鍵交聯點形成鏈富集區（高交聯密度）與鏈貧乏區（低交聯密度）的異質網絡，其中鏈富集區作為第一道屏障分散裂紋尖端應力，納米級剛性POSS核心作為第二道屏障進一步阻止裂紋擴展。分子動力學模擬證實，該結構可通過氫鍵重構與能量耗散協同提升韌性。實驗結果標明，POSS基共晶凝膠的斷裂內聚長度達1.19 cm，斷裂韌性為3934 J/m2，其在1000次拉伸循環后切口幾乎無擴展，并具備低滯后性（滯后比<8.5%）、強附著力（最高68.6 kPa）及-40℃抗凍性�；谠撃z的柔性傳感器在常溫和低溫下均表現出穩定的應變響應（應變系數GF=1.97），可精準監測人體關節運動。該策略可拓展至聚丙烯酰胺、聚羥乙基甲基丙烯酸酯等共晶凝膠體系，為極端環境柔性電子器件提供了創新設計思路。該工作以“A universal strategy for flaw-insensitive nanocomposite eutectogels with centimeter-scale fractocohesive length using multi-crosslinkable polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)”為題發表于《Composites Part B: Engineering》。鄭州輕工業大學樊凱奇副教授為第一作者，張曉靜教授為通訊作者。

圖1 POSS基共晶凝膠與常規共晶凝膠在抗撕裂性能方面的差異性示意圖

圖2 POSS基共晶凝膠的力學性能

圖3 POSS基共晶凝膠拉伸過程的分子動力學模擬

圖4 POSS基共晶凝膠的抗凍性和導電性

圖5 POSS基共晶凝膠在不同溫度下的傳感性能