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  隨著機(jī)器人在消防救援、太空探索等極端環(huán)境中的應(yīng)用日益廣泛，傳統(tǒng)聚合物材料在高溫下易發(fā)生降解、電荷耗散等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了機(jī)器人的自主運(yùn)行能力。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）雖具有可持續(xù)性?xún)?yōu)勢(shì)，但其電輸出性能在惡劣環(huán)境下會(huì)因摩擦電層失效而急劇下降。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)適用于惡劣條件下工作的具有多功能集成的耐高溫且力學(xué)性能優(yōu)異的摩擦電材料。

  針對(duì)這一挑戰(zhàn)，東華大學(xué)朱美芳院士、游正偉教授、管清寶教授研究團(tuán)隊(duì)和高技術(shù)有機(jī)纖維及復(fù)合材料四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳超峰博士合作開(kāi)展界面分子工程設(shè)計(jì)，成功研發(fā)出一種兼具高耐溫性與力學(xué)強(qiáng)度的復(fù)合材料——聚對(duì)苯撐苯并噁唑（PBO）纖維增強(qiáng)液晶聚芳酯（LCP）復(fù)合材料。

  2025年11月19日，該工作發(fā)表于《Advanced Materials》期刊，題為《Highly Robust and Intrinsic Flame‐Retardant Polyphenylene Benzodiazole/Liquid Crystal Polyarylate Composites for Flexible Triboelectric Nanogenerators in Harsh Environment》（Adv. Mater. 2025, e13780），第一作者為東華大學(xué)喬小蘭副研究員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金、面上項(xiàng)目、四川省高技術(shù)有機(jī)纖維及復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題、載人空間站工程空間科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目以及東華大學(xué)2025年學(xué)科創(chuàng)新領(lǐng)域培育項(xiàng)目的支持。

圖文介紹

  ?研究團(tuán)隊(duì)以界面分子工程為設(shè)計(jì)核心，通過(guò)萘酰亞胺類(lèi)聚合物（NDI-NH?）上漿改性解決 PBO 與 LCP 界面結(jié)合問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)力學(xué)強(qiáng)度大幅提升（圖1），并憑借材料自身共軛結(jié)構(gòu)賦予的優(yōu)異性能，成功構(gòu)建耐高溫、本征阻燃的 TENG，為該材料器件在機(jī)器人極端環(huán)境應(yīng)用中的可行性奠定基礎(chǔ)。

圖1 PBO/LCP復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)及TENG的示意圖和應(yīng)用演示

  材料的耐熱性能決定了材料在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。熱性能與阻燃性測(cè)試（圖2）表明，改性后的復(fù)合材料具有更高的熱分解溫度（T_d5%=497.3 ℃）和耐熱指數(shù)（T_HRI=303.9 ℃），尤其是在250 ℃ 時(shí)仍保持0.18 GPa的儲(chǔ)能模量，表明其在高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?xún)?yōu)異。在無(wú)任何阻燃劑的情況下，sized-PBO/LCP復(fù)合材料極限氧指數(shù)（LOI）高達(dá)36.4%，在火焰燃燒后無(wú)熔滴現(xiàn)象，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)添加型阻燃聚合物，表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性能。

圖2 PBO/LCP的熱性能與阻燃性能

  基于該復(fù)合材料制備的TENG展現(xiàn)出卓越的極端環(huán)境適應(yīng)性（圖3），其在 200°C 高溫下開(kāi)路電壓達(dá) 42 V，較室溫提升 26.5%，且在火焰燃燒 10 s 后仍能保持近 100% 的電輸出性能，同時(shí)電輸出性能隨溫度升高線性增加。這種高溫增強(qiáng)特性源于溫度升高加速電子轉(zhuǎn)移、促進(jìn)偶極子取向極化，以及改性后復(fù)合材料界面相容性提升帶來(lái)的穩(wěn)定介電性能，同時(shí) PBO/LCP 復(fù)合材料的高剛性結(jié)構(gòu)與粗糙表面也進(jìn)一步優(yōu)化了摩擦電輸出效率，為消防、太空等極端環(huán)境應(yīng)用提供自供電解決方案。

圖3 PBO/LCP復(fù)合材料介電和摩擦電性能

  總之，該研究通過(guò)NDI-NH?對(duì) PBO 纖維進(jìn)行表面上漿改性，借助界面分子工程構(gòu)建非共價(jià)/共價(jià)相互作用，顯著提升了 PBO 與 LCP 基體的界面結(jié)合力和力學(xué)強(qiáng)度，充分發(fā)揮了 PBO 纖維優(yōu)異的力學(xué)性能與 LCP 良好的熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了sized-PBO/LCP復(fù)合材料作為高溫下摩擦電材料的潛力。該研究通過(guò)結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料設(shè)計(jì)，為解決機(jī)器人在極端環(huán)境如高溫作業(yè)、消防救援和太空探索等的能源供給和溫度感知提供了創(chuàng)新性解決方案。

  原文鏈接 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202513780