近日，材料科学领域取得重要突破，美国工程院院士、美国人文与科学院院士、美国得克萨斯农工大学教授Edwin L. Thomas、Svetlana A. Sukhishvili研究团队报道了一种基于Diels-Alder聚合物（DAP）的共价自适应网络（CAN）薄膜。该材料在超音速微弹体冲击下展现出显著的穿刺自愈能力与动能吸收性能，为开发新一代抗冲击防护材料提供了新思路。相关论文以Supersonic puncture-healable and impact resistant covalent adaptive networks为题，发表在《Materials Today》期刊，第一作者为Sang Zhen。

研究背景

高速冲击防护材料在航空航天、军事装备等领域需求迫切。传统材料（如离子聚合物Surlyn或芳纶纤维Kevlar）虽具有一定抗冲击性，但自愈能力不足或动能吸收效率低。动态共价网络材料（如Diels-Alder聚合物）因其可逆键合特性，在宏观尺度自愈领域已有研究，但纳米尺度下超高速冲击（应变速率>10⁷ s⁻¹）的动态响应机制尚不明确。

材料设计与制备

研究团队设计了一种基于呋喃-马来酰亚胺动态共价键的DAP薄膜。通过调节交联剂比例（马来酰亚胺与呋喃摩尔比0.4–1.0），控制材料的玻璃化转变温度（Tg~8–40°C）和动态键解离温度（T_rDA=116°C）。利用旋涂法成功制备了厚度70–435 nm的超薄薄膜，并通过红外光谱（ATR-FTIR）和热分析（DSC）验证了网络结构的稳定性。

超高速冲击性能测试

研究采用激光诱导微弹体冲击测试（LIPIT），以3.7 μm二氧化硅弹体（速度300–750 m/s）轰击薄膜，结合超高速成像（3 ns分辨率）和电子显微镜（SEM）实时观测冲击过程。结果显示：

1.穿孔自愈性：DAP薄膜的穿孔直径（d_h）比弹体直径（d_p）小38%（图1c），而传统玻璃态热塑性材料（如聚苯乙烯、聚碳酸酯）的穿孔通常更大。

图1. DAP 网络、LIPIT 装置和撞击 DAP 薄膜的穿孔形态。

2.动能吸收效率：DAP薄膜的比动能吸收（E_p*）达1.1–1.4 MJ/kg，与聚苯乙烯薄膜相当，但自愈效率（η=0.8）显著高于永久交联的DDM网络（η=0.2）（图2d）。

图2. 穿刺愈合效率和KE吸收能力的解剖形态学和比较。

3.化学结构恢复：红外纳米光谱（AFM-IR）证实，冲击区域的Diels-Alder键特征峰（1190 cm⁻¹）与未冲击区一致，表明动态键在冲击后成功重组（图3b）。

图3.通过化学和形态学分析了解穿刺愈合行为。

自愈机制解析

研究提出四阶段动态响应机制（图4）：

1.冲击压缩与局部升温：弹体冲击引发绝热升温（T > T_{rDA），导致动态键解离，网络部分液化。}

2.双轴拉伸与能量耗散：液化层降低界面摩擦，减少材料剥离，而部分解离的粘弹性网络通过塑性变形吸收动能。

3.穿孔断裂与弹性恢复：冲击后，未完全解离的网络在冷却过程中通过熵弹性收缩闭合穿孔。

4.动态键重组：温度降至T_DA以下时，DA键重新形成，恢复网络完整性。

图4.Diels-Alder 聚合物网络中变形、穿刺和愈合过程的微米和分子尺度 3D 示意图。

应用前景与优化方向

该材料在轻量化空间碎片防护、柔性装甲等领域潜力巨大。作者指出，未来可通过引入氢键或多重动态共价键进一步提升性能，或通过增加预聚物分子量增强粘塑性熔体强度，平衡能量吸收与自愈效率。

结论

此项研究首次揭示了动态共价网络材料在超高速冲击下的多尺度响应机制，为设计兼具自愈性、高韧性和能量耗散能力的先进材料提供了理论依据与实验范式。