由于碳纤维增强树脂基复合材料（CFRPs）具有轻质高强的优势，在交通运输、装备制造、安全防护、风力发电等领域的作用越发重要。该材料产量持续增长，已成为不可或缺的关键战略材料。CFPPs 通常由碳纤维布与环氧树脂等热固性塑料复合而成。这些热固性塑料可以固定碳纤维的取向结构，使CFRPs 呈现高强特性，但也导致了CFRPs 缺乏柔性、抗撕裂能力差。因此，现有的CFRPs 通常难以满足软体机器人、个人防护设备等新兴领域对柔性高强碳纤维复合材料的需求。此外，塑料粘合剂的热固性还导致CFRPs 难以拆解和回收，引起的资源浪费和环境污染问题也受到人们的极大关注。因而，亟须采用新的设计理念，开发能与碳纤维牢固粘附的可回收弹性体粘合剂，以制备可循环利用的柔性复合材料。而满足上述需求的弹性体粘合剂不仅需具备高力学强度和韧性，以维持柔性CFRPs 的力学强度；还需同时具有较低的模量和高的能量耗散能力，以确保外力在CFRPs 中的大面积传导并被高效耗散，从而赋予柔性CFRPs 优异的抗撕裂能力。在一个弹性体中同时集成高粘附性、高力学强度、低弹性模量、高韧性和高抗撕裂能力仍然面临巨大挑战，因为这些性能通常相互排斥。

最近，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室孙俊奇教授与王晓晗博士以氢键和配位键共同构成的高结合能“多层级超分子作用力”交联高柔性的聚四氢呋喃（PTMG）链段，成功制备了兼具低模量（5.6 MPa）、高强度(83 MPa)、高韧性(619 MJ m-3)、高断裂能(357 kJ m-2)的可逆交联聚氨酯弹性体（PU）（图1）。将PU 溶解在乙醇中制备的粘合剂溶液刷涂在T300 级别的碳纤维布表面，待溶剂挥发后，即可制得单层的柔性CFRPs（PU-CF）。由于PU 与碳纤维之间可能发生氢键作用，因此PU 能够黏附在碳纤维的表面，粘附力达1.3 MPa。将单层PU-CF 按需堆叠并经热压处理，可制备多层PU-CF。制备的单层或多层PU-CF中PU 的含量为35wt%，其断裂强度和韧性分别高达767 MPa 和64.9 MJ m-3，相较于裸碳纤维布的同类指标均有2 倍以上的提升。PU-CF 具有卓越的抗穿刺能力和创纪录的抗撕裂能力，其刺穿力和断裂能的数值分别高达52.9 N 和2012 kJ m-²。PU-CF 卓越的力学性能归因于PU 的高效能量耗散能力。其机制如下：当PU-CF被撕裂时，即使施加较小的撕裂力，也会使低模量的PU 发生显著形变，从而将撕裂力传导到较大的面积，避免裂口处的应力集中；随着撕裂力的增大，PU 内部具有高结合能的“多层级超分子作用力”能够逐步解离，从而高效耗散撕裂力；在极限撕裂力的作用下，PU 和碳纤维之间的牢固粘附力确保了垂直于裂纹扩展方向上的碳纤维以成股的方式断裂，而不会从复合材料中脱黏抽离。这样，每根纤维都能充分发挥其最大抵抗损伤扩展的能力；同时，裂纹顶端的PU 粘合剂也表现出卓越的抗撕裂性能。在这些因素的共同作用下，PU-CF 复合材料展现出令人惊叹的抗撕裂能力。基于“多层级超分子作用力”和PU 与CF 之间氢键的动态可逆性，柔性CFRPs 可以通过热压修复缺陷。利用这种动态可逆性，PU-CF 之间的交联位点可在乙醇溶液中解离，实现PU-CF 的拆解以及对碳纤维和PU 的无损回收。这种柔性CFRPs 在个人防护设备领域具有重要的应用前景。

该研究以“Engineering of Reversibly Cross‐Linked Elastomers Toward Flexible and Recyclable Elastomer/Carbon Fiber Composites with Extraordinary Tearing Resistance”为题，发表在最新一期的《Advanced Materials》杂志上(DOI: 10.1002/adma.202406252)。论文的通讯作者为孙俊奇教授，第一作者为王晓晗助理教授，工作受到了国家自然科学基金引导类原创探索计划项目、青年基金项目和重点项目的资助。

图1 高性能柔性复合材料的结构示意图及其循环回收过程的实物图