高氧化物负载的可拉伸复合材料：界面设计突破弹性体功能化瓶颈

编辑推荐：传统氧化物/弹性体复合材料面临高负载与可拉伸性难以兼顾的难题。南方科技大学团队创新提出界面复合策略，通过Marangoni共组装技术构建仅1/4接触深度的PP-g-SiO2/SIBS结构，实现80 vol%氧化物负载下500%断裂伸长率，较体相复合材料提升25倍，为柔性电子与软机器人提供新材料范式。

　　

在柔性电子和软机器人技术快速发展的今天，氧化物/弹性体复合材料因其兼具陶瓷功能特性和聚合物机械柔韧性而备受关注。然而这类材料长期面临一个"鱼与熊掌"的困境：增加氧化物负载量会显著降低材料拉伸性，而追求高拉伸性又不得不牺牲功能填料的含量。传统解决方案如填料表面改性和有序排列仅能有限改善性能，当氧化物体积分数超过30 vol%时，材料往往变得脆硬易裂。这种矛盾严重制约了材料在磁驱动、热管理等功能性应用中的表现。

南方科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，提出"界面复合"新范式。通过精确调控氧化物与弹性体接触界面，团队成功制备出80 vol%高负载下仍保持500%断裂伸长率的超柔性复合材料，其性能远超传统体相复合材料20倍以上。这项研究为开发新一代高性能柔性功能材料开辟了新路径。

研究采用Marangoni共组装作为核心技术，通过3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰氧化物表面，接枝马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)作为界面桥连分子。利用水-甲苯界面的表面张力梯度驱动自组装，结合超声处理促进酰胺键形成，实现SiO₂微球在聚(苯乙烯-异丁烯-苯乙烯)(SIBS)表面的单层紧密排列。关键创新在于控制接触深度仅为微球直径的1/4，通过化学键(酰胺/酰亚胺键)与物理缠结(PP链段与SIBS网络)协同作用确保界面稳定性。

"设计原理"部分揭示，有限元模拟显示界面复合结构在100%应变下最大米塞斯应力仅30 MPa，较体相复合材料的270 MPa降低近一个数量级。通过调节MAPP含量(1-4 wt%)可精确控制接触深度从1/6到1/2直径变化，相应弹性模量从5.6 MPa增至17.3 MPa，证实界面应力与机械性能的可编程性。

"机械性能"部分展示，80 vol% SiO₂界面复合材料可承受8.5g钢球冲击产生的15,500倍厚度拉伸，经10,000次100%应变循环后仍保持完整结构。对比实验显示，相同组成的体相复合材料在20%应变即断裂。环境稳定性测试表明，材料在80℃/90%湿度下3周后力学性能无衰减。

"不同氧化物尺寸、形貌与组成的界面复合材料"部分证实方法的普适性：从250 nm Fe₃O₄纳米颗粒到25 μm SiO₂微球，从Al₂O₃晶须到BaTiO₃片状颗粒均可组装。特别值得注意的是90 vol%负载下仍保持400%伸长率，创下同类材料纪录。

"界面复合材料的功能性"部分展示多重应用优势：(1)磁驱动性能方面，Fe₃O₄/SIBS界面复合材料的M/G值(磁化强度/剪切模量)达10.5 A·m N^-1，较体相复合材料提高4.5倍；(2)热管理方面，多层Al₂O₃界面复合材料的平面热导率达65 W m^-1 K^-1；(3)共形性测试显示，500 nm SiO₂复合材料可完美贴合叶片气孔和4 μm高微柱阵列；(4)辐射冷却薄膜通过20层TiO₂和7层Al₂O₃/SiO₂堆叠实现86.2%太阳光反射率。

研究结论指出，界面复合策略通过最小化接触面积与最大化结合强度的协同设计，从根本上解决了高氧化物负载与可拉伸性的矛盾。该方法对氧化物尺寸、形貌、成分的广泛适应性，以及可堆叠特性，使其在柔性磁驱动器、可穿戴传感器、仿生热管理等领域具有重要应用前景。这项工作不仅提供了一种新材料体系，更建立了功能填料与弹性体基质的界面设计准则，为下一代柔性功能材料的开发提供了范式转变。