复合材料的研究背景是什么（复合材料的研究背景是什么意思）

研究背景

聚合物基复合材料是一种有较高价值的功能结构材料，具有重量轻、耐化学、可加工高和用途广等特点。然而，这类材料在反复变形和摩擦的过程中会受到不可逆的机械损伤，导致其在实际应用中力学、热学和电学能等发生退化。自愈合材料可自动修复各种原因诱发的损伤，增强材料在恶劣环境或大载荷力下的工作能力，提高材料的耐久和使用寿命，这对于设计下一代导热复合材料具有重要意义。

在材料设计方面，自愈聚合物导热复合材料的有效设计策略是在导热填料中引入自愈聚合物基体。然而，与原始聚合物相比，聚合物和导热填料之间化学和结构的差异较大，因此复合材料表现出更复杂的自愈合机制。此外，填料会降低聚合物基质中的链运动能力，继续提高导热填料的含量，则复合材料内填料易发生不均匀团聚、脆增强、缺陷增多等缺点，最终导致复合材料的自愈能力降低。因此，在设计快速自愈合聚合物基体的基础上，降低填料含量和优化填料结构设计是制备自愈导热复合材料的关键途径之一。

天津大学封伟教授团队通过优化聚合物软硬段比例，控制强交联与分子间相互作用力，构建石墨烯网络结构，复合得到兼具高强度、高导热和室温下快速自愈合能力的PBA-PDMS/FGf导热复合材料。

相关成果以“Highly Thermally Conductive Polymer/Graphene Composites with Rapid Room‑Temperature Self‑Healing Capacity”为题发表在《Nano-Micro Letters》(IF= 23.655，JCR一区，中科院一区TOP)上。

研究内容

研究人员使用乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为交联增强剂，聚2-[[(丁胺基)羰基]氧基]乙酯(PBA)作为软段，通过优化分子间的高密度氢键相互作用和分子间的强交联的比例，合成了一种具有高黏附力和快速完全自愈合的聚合物材料(PBA–PDMS)。然后，基于力-热耦合设计思想，以褶皱石墨烯(FGf)为导热填料，在真空条件下采用物理浸渍法得到了兼具高回弹、高导热、强界面黏附、快速自愈合的导热复合材料(PBA-PDMS/FGf)。

PBA-PDMS/FGf在断裂时表现出2.23±0.15 MPa的高拉伸强度和13±0.2 W-1 m-1 K-1的高导热能。此外，PBA分子间氢键可在材料损伤处实现分子链段的重组，抑制和愈合材料的裂纹和分层，实现导热通道和碳骨架的重新构建。因此，室温下放置2 h，PBA–PDMS/FGf复合材料的导热能和机械能可恢复到初始状态。室温下，其拉伸强度和导热系数的自愈效率分别为100%和98.65%。基于实验表征，论文诠释了复合材料结构损伤和导热能损伤修复的机理，并在机械手传热验证了这一导热自愈合能。总的来说，这项研究为开发具有高强度、高回弹、快速应力恢复、宽温度范围和自修复能力的聚合物及其复合材料提供了宝贵参考。

研究数据

图1. (a) PBAx-PDMS的化学结构；(b) PBAx-PDMS/FGf的制备过程；(c) PBAx-PDMS/FGf的SEM图像；(d) PBAx–PDMS、FGf和PBAx–PDMS/FGf的热重分析(TGA)图；(e) PBA-PDMS和PBA-PDMS/FGf的差示扫描量热(DSC)曲线。

图2. (a) PBAx–PDMS的分子模型；(b，c) PBAx-PDMS中具有分布概率最高的分子模型；(d) 共聚物之间的氢键相互作用；(e) 不同PBA和PDMS摩尔比的PBAx-PDMS的强度和伸长率；(f) 聚合物链段的自愈合机理图；(g) 室温下PBA-PDMS在不同自愈合时间下的应力-应变曲线；(h) PBA-PDMS在不同温度下放置10 min的自愈合效率；(i) 与已报道聚合物的自愈合效率对比图。

图3. (a) 结构完整和单面缺口PBA-PDMS/FGf弹体的应力-应变曲线；插图为弹体在180%应变(左)和270%应变(右)下的照片；(b) 在室温下不同愈合时间PBA-PDMS/FGf的应力-应变曲线；(c) 不同温度下PBA-PDMS/FGf 自愈合2 h后的应力-应变曲线；(d) 室温下自愈合循环10次后PBA-PDMS/FGf的应力-应变曲线；(e) PBA-PDMS/FGf弹体的断裂-自愈合的数码照片和弹演示；(f) 室温下放置0-2 h后的PBA-PDMS/FGf样品的形貌图。