複合材料的強度和韌性是其微觀高分子鏈段和填料相互作用形式的宏觀體現，通常呈現為一對矛盾體。傳統複合材料的微觀結構中充斥著靜態的高能共價鍵，一旦斷裂便會造成微觀結構的不可逆破壞，從而影響材料的穩定性，進而限制其在特殊場景中的應用。因此，設計並建立複合材料中填料和高分子基底之間的相互物理化學作用，對於構建高效能複合材料具有重大的理論和應用價值。
鑑於此，西南科技大學常冠軍教授、康明教授聯合南方科技大學康天懌助理教授，以自制的吲哚改性二氧化矽微球結合吲哚基環氧樹脂，構築具有三種介面π-π堆積相互作用的複合物。在受到外界力場刺激時，三種介面π-π堆積相互作用可以透過本身“斷裂-重構”的特性產生連續的驅動力以促使微球產生“滾動行為”，從而更高效率地耗散內部集中的應力，協同提高了材料的強度和韌性，複合材料的拉伸強度和斷裂伸長率較高分子基底分別提高了49.8%和358.9%。此外，作者還發現，微球的“滾動行為”呈現出了“力-熱等效性”，賦予材料優異的熱穩定性和熱驅動性，並有望在極端環境中應用。這項研究提出的策略創新性地結合了力學和化學的方法，協同提升了複合材料的強度和韌性，同時提高了複合材料的熱穩定性和熱驅動性，進而為設計新一代高效能複合材料提供了全新思路。相關工作以“Constructing High-Performance Composite Epoxy Resins: Interfacial π-π Stacking Interactions-Driven Physical Rolling Behavior of Silica Microspheres”為題發表在最新一期的《Advanced Materials》上，西南科技大學材料與化學學院材料科學與工程專業在讀博士研究生唐巧林為本文第一作者。
【本文設計思路以及介面介面π-π堆積相互作用（E-S- type）的證明】
此項研究的設計思路來源於經典的物理學概念——物體的滾動相較於滑動而言，擁有更低的應力集中和能量集中，因此可以更高效率地實現能量傳遞。作者在前期工作的基礎上，將改性的二氧化矽微球引入高分子基底中構築具有三種介面π-π堆積相互作用的複合環氧樹脂。其中，存在於微球和高分子之間的介面π-π堆積相互作用（E-S- type）透過嚴格的理論模擬和光譜學實驗證據予以嚴格證明。
介面π-π堆積相互作用驅動微球滾動構築高效能複合環氧樹脂的示意圖
E-S-type π-π堆積相互作用的證明
【複合環氧樹脂SiO2@IN-IER-6的效能】
隨即，對材料的力學效能和熱效能進行了分析。結果表明，填料的幾何形狀以及表面改性是力學效能得到提升的關鍵因素，即球形的幾何形狀以及持續的驅動力（π-π堆積相互作用）。在此條件下，複合材料SiO 2@IN-IER- 6的強度和韌性分別可達90.80 MPa和7.48 MJ m -3，實現了填料低新增量下，協同提升複合材料的強度和韌性。此外，SiO 2@IN-IER- 6的熱穩定性得到了明顯的提升初始分解溫度和最大分解溫度分別可達360.41和397.17 °C，而其餘對比材料的熱穩定性較環氧基底沒有明顯變化。並且，DSC測試表明，SiO 2@IN-IER- 6的玻璃化轉變溫度較其餘材料並無明顯提升，說明其內部的交聯結構並無特殊，因此反而說明其熱穩定性和力學效能的提升是與其它因素（微球滾動）相關。原位光譜的資料表明，熱刺激同樣可以促使微球產生“滾動行為”，表明微球的“滾動行為”具有典型的“力-熱等效性”。
複合環氧樹脂的機械效能
複合環氧樹脂的熱效能
【“滾動行為”的存在性分析】
作者首次提出透過理論模擬和實驗驗證的方法來說明微球的“滾動行為”。採用密度泛函理論（DFT）對三種極端情況下，E-S- type π-π堆積相互作用可產生的驅動力進行計算。結果表明，在π環的法向，切向和旋轉運動下，E-S- type π-π堆積相互作用均可以產生一定的幾何約束力用以驅動微球產生滾動。並且利用有限元分析（FEA）模擬三種典型複合材料SiO 2@IN-IER- 6、 C-SiO 2@IN-IER- 6和WCB@IN-IER- 6中填料與基底之間的相互運動模式，並得到模擬的介面摩擦力，完全印證了後續試驗中的摩擦因素（COF）結果。此外，全原子分子動力學（MD）模擬了SiO 2@IN-IER- 6和WCB@IN-IER- 6的拉伸效能，與實驗結果趨勢完全一致，成功說明了微球滾動的理論合理性。
微球 “滾動行為”實驗驗證採用掃描電鏡，對SiO 2@IN-IER- 6、WCB@IN-IER- 6和 C-SiO 2@IN-IER- 6的拉伸斷面進行表徵。在SiO2@IN-IER-6的斷面形貌照片可明顯觀察到屬於球體滾動的特殊軌跡，這是SiO 2@IN在介面π-π堆積相互作用驅動下產生“滾動行為”的典型特徵。摩擦磨損實驗的結果也表明，SiO2@IN-IER-6、WCB@IN-IER-6和C-SiO2@IN-IER-6的COF依次遞增，並且SiO2@IN-IER-6的摩擦光學影象顯示其具有最深的刻痕，與FEA模擬結論高度一致。
總結：作者創新性地利用基本力學原理，和複合材料的設計有機結合在一起，提出了利用介面π-π堆積相互作用驅動微球滾動的策略。這種通用性的策略能夠更好地耗散材料系統內部積聚的能量，從而打破複合材料強度和韌性之間的屏障，達到協同提升綜合性能的效果。這一工作也為後續高效能複合材料的設計和應用提供了新的思路。
“滾動行為”的理論模擬
“滾動行為”的實驗驗證
原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202415485
來源：高分子科學前沿
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