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  聚合物復(fù)合材料中的垂直結(jié)構(gòu)是指功能性填料在材料的厚度方向有序排列、相互連接或組裝成的一系列特征結(jié)構(gòu)，可以賦予材料各向異性的特性和其他優(yōu)異的功能表現(xiàn)。近年來，眾多研究者包括作者課題組在垂直取向結(jié)構(gòu)的制備方法、形態(tài)特征的調(diào)控、功能特性的提升以及功能材料的應(yīng)用方面取得了眾多進展。故四川大學(xué)傅強教授/吳凱副研究員研究團隊從加工技術(shù)角度出發(fā)，對于這種既在自然界廣泛存在又利于制備高性能聚合物復(fù)合材料的垂直結(jié)構(gòu)，進行了系統(tǒng)性總結(jié)。相關(guān)綜述在線發(fā)表于材料領(lǐng)域優(yōu)秀期刊Advanced Materials上。

  大自然是材料結(jié)構(gòu)設(shè)計最優(yōu)秀的老師。本文從自然界中的垂直結(jié)構(gòu)出發(fā)，系統(tǒng)性地討論和分析了樹干、年輪、蘆葦、木頭中的徑向和層狀形態(tài)、壁虎觸手等多種垂直取向結(jié)構(gòu)與其性能和功能之間的聯(lián)系（如圖1），這些自然結(jié)構(gòu)為制備對應(yīng)領(lǐng)域的多功能聚合物復(fù)合材料提供了優(yōu)秀的學(xué)習(xí)模板。

圖1 自然界中的垂直取向結(jié)構(gòu)原型、性能和功能，以及相應(yīng)的人造聚合物復(fù)合材料。

  鑒于此，為了能夠在聚合物材料中精細(xì)地構(gòu)造這些優(yōu)異的天然垂直取向結(jié)構(gòu)，先進的材料制備加工技術(shù)必不可少。他們詳細(xì)地總結(jié)了用于制備具有垂直結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料的多種定構(gòu)加工手段，例如定向方向變換、外場誘導(dǎo)、模板法和3D 打印技術(shù)等。如圖2所示，上述加工方法之間也可以進行很好的耦合，如在roll-to-roll加工的時候可以將多種外場（如剪切場、電場、磁場等）集成在一套裝置中，連續(xù)化地在聚合物復(fù)合材料中構(gòu)筑特定的垂直去向結(jié)構(gòu)。

圖2 Roll-to-roll 多外場耦合加工流水線用于制備具有垂直的聚合物復(fù)合材料。

  在多種定構(gòu)加工手段的幫助下，先進的多功能聚合物復(fù)合材料也得到了廣泛的報道。他們詳細(xì)列舉了垂直結(jié)構(gòu)在聚合物功能復(fù)合材料中的廣泛應(yīng)用，例如結(jié)構(gòu)材料、熱管理材料（隔熱及導(dǎo)熱材料），介電材料，導(dǎo)電傳感材料，電磁屏蔽材料，水處理材料（油水分離及太陽能水體蒸發(fā)材料），電化學(xué)儲能材料等，如圖3所示。

圖3 具有垂直結(jié)構(gòu)的聚合物功能復(fù)合材料的諸多應(yīng)用。

  最后，如圖4所示，他們用中國民間經(jīng)典傳說“牛郎織女”將“自然啟發(fā)”、“定構(gòu)加工”和“聚合物復(fù)合材料的性能和功能”的關(guān)系形象的表現(xiàn)出來。先進的定構(gòu)加工手段如同七夕之時的鵲橋，只有通過它才能讓自然界優(yōu)異的垂直結(jié)構(gòu)（織女）和聚合物復(fù)合材料的性能/功能（牛郎）橋連起來，在結(jié)尾本文他們也指出了垂直結(jié)構(gòu)的現(xiàn)存問題和未來發(fā)展的新機會，希望以上觀點能為制備先進多功能聚合物復(fù)合材料做出更多貢獻。

圖4 自然垂直結(jié)構(gòu)的原型、定構(gòu)加工手段和用于各種應(yīng)用的聚合物功能復(fù)合材料的對應(yīng)關(guān)系。

  相關(guān)成果以 “Controlled Vertically Aligned Structures in Polymer Composites: Natural Inspiration, Structural Processing, and Functional Application” 為標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials期刊上，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院2020屆碩士畢業(yè)生雷楚昕為本文的第一作者，通訊作者為四川大學(xué)高分子學(xué)院的吳凱副研究員和傅強教授。感謝國家自然科學(xué)基金面上基金（No. 51573102 和No. 51421061）、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目（No. 51721091）、江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（No. BK20200501）對本工作的支持！

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202103495