兼具高刚度和弯曲耐久性的材料，在柔性电子、可穿戴技术、航空航天装备、软体机器人和防护系统等新兴领域具有迫切需求。然而，在传统材料体系中，这两类力学性能往往难以兼得。金属、陶瓷等无机材料虽具有高刚度，但由于缺乏塑性变形能力，在循环弯曲下易萌生微裂纹并发生疲劳断裂。而聚合物、弹性体等柔性材料虽耐弯折，却普遍存在刚度低的问题，难以满足结构防护与力学支撑的要求。为打破这一瓶颈，研究者们多采用复合材料设计策略。通过将硬质无机组分引入软质聚合物基体，发展了从分子尺度（如软硬链段共聚）到微纳尺度（如无机纳米颗粒、纳米片或纳米纤维改性）等诸多改性方案。然而，由于高表面能引发的无机颗粒团聚，以及构筑的不均匀“软-硬”两相界面，材料在受载变形时会在界面处产生严重的应力集中。此外，传统有机–无机界面通常缺乏高效的能量耗散机制。在循环弯曲载荷作用下，裂纹易于在颗粒聚集或界面缺陷等应力集中区域萌生并扩展，最终导致材料发生疲劳失效。因此，在传统颗粒增强复合材料中，弯曲刚度的提升往往伴随着弯曲耐久性的下降。受聚合物科学中互穿双网络结构可协同提升材料强度与韧性的启发，研究者开始尝试将类似结构设计拓展至有机–无机复合体系，期望通过连续刚性无机网络替代离散增强相，从而实现刚度的有效提升。然而，受限于经典无机化合物的成核–生长机制，无机离子化合物在聚合物基体中通常倾向于发生相分离并形成团聚颗粒，而难以原位构筑均匀、连续的无机网络。因此，如何在有机基体内构建兼具结构连续性、空间均匀性与动态界面键合特征的无机网络，仍是有机–无机复合材料领域亟待解决的关键挑战。
针对这一科学难题，浙江大学的刘昭明研究员将互穿双网络设计理念拓展至有机-无机杂化体系，提出用无机网络替代无机纳米颗粒的策略，让刚性无机网络与柔性有机网络在纳米尺度相互贯穿，同时引入动态可逆的界面键合，实现高刚度与高能量耗散。作者以分子尺度的磷酸钙离子寡聚体作为无机前聚体，以具有三维纳米纤维网络结构的细菌纤维素作为有机骨架，使磷酸钙离子寡聚体在纤维素网络的中发生原位离子聚合，成功构筑了细菌纤维素-磷酸钙基动态互穿纳米网络复合材料。
2026年6月16日，相关研究以Dynamic Organic–Inorganic Interpenetrating Nanonetwork for Stiff and Durable Flexible Material为题发表在《Advanced Materials》上。文章通讯作者为浙江大学刘昭明研究员。
图1 不同结构材料的力学特性对比与动态有机-无机互穿纳米网络设计原理
在微观结构上，该材料呈现出均匀的纳米级互穿双网络结构，其中无机网络与有机纤维素网络在空间中相互贯穿，无机相未出现明显团聚。与传统颗粒填充型复合材料相比，这种互穿网络结构显著增加了有机相与无机相之间的界面接触面积，为外力在多方向上的高效传递提供了结构基础。更关键的是，两相界面并非简单物理接触，而是存在动态可逆的界面相互特性。无机网络中的钙离子可与纤维素表面的羟基形成静电作用力。在材料受载变形过程中，这些动态键合作为牺牲键发生解离，从而有效耗散变形能；当外力撤去后，受互穿网络的局部拓扑约束作用，解离的动态键能够重新缔合。由此，材料形成了刚性无机网络承担载荷、动态有机–无机界面耗散能量的协同机制，有效缓解了局部应力集中，抑制了疲劳裂纹的萌生与扩展，使材料在保持高弯曲刚度的同时获得了接近柔性聚合物的能量耗散能力。
图2 有机-无机互穿纳米网络的微观结构与动态界面键合
得益于这一独特的互穿纳米网络设计，该复合材料表现出显著提升的综合力学性能。在相同测试条件下，其弯曲刚度可与金属镍相媲美，明显高于商用聚丙烯、传统颗粒杂化材料以及已报道的无机纤维基柔性薄膜。此外，该材料在循环弯曲测试中可承受 20000 次反复弯折而不发生疲劳断裂，且多次循环弯曲后的拉伸强度未出现明显衰减，表明其具有优异的弯曲疲劳耐久性和力学稳定性。在极端服役环境下，该材料同样展现出良好的结构与性能稳定性。其可在 ?196 °C 至 200 °C 的宽温域内保持稳定，在液氮环境中经 90° 弯曲仍不发生脆性断裂，高温条件下力学模量能够保持稳定。同时，该材料具有较低的热膨胀系数，表现出接近无机陶瓷材料的尺寸稳定性。在高湿环境中，其力学性能无明显衰减，有效克服了天然生物质材料易吸湿软化的局限。此外，该材料还具备阻燃特性，其热释放水平显著低于传统颗粒杂化材料，进一步拓展了其在复杂服役环境中的应用潜力。
图3 复合材料的弯曲刚度与弯曲耐久性能
综上，作者将互穿网络的合成策略从纯有机体系拓展至有机-无机杂化体系，有效解决了弯曲刚度与弯曲耐久性的矛盾，为高性能结构材料研发提供了新的思路。
研究受到国家自然科学基金、浙江大学资助。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73753
