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  隨著機器人在消防救援、太空探索等極端環境中的應用日益廣泛，傳統聚合物材料在高溫下易發生降解、電荷耗散等問題，嚴重制約了機器人的自主運行能力。摩擦納米發電機（TENG）雖具有可持續性優勢，但其電輸出性能在惡劣環境下會因摩擦電層失效而急劇下降。因此，迫切需要開發適用于惡劣條件下工作的具有多功能集成的耐高溫且力學性能優異的摩擦電材料。

  針對這一挑戰，東華大學朱美芳院士、游正偉教授、管清寶教授研究團隊和高技術有機纖維及復合材料四川省重點實驗室陳超峰博士合作開展界面分子工程設計，成功研發出一種兼具高耐溫性與力學強度的復合材料——聚對苯撐苯并噁唑（PBO）纖維增強液晶聚芳酯（LCP）復合材料。

  2025年11月19日，該工作發表于《Advanced Materials》期刊，題為《Highly Robust and Intrinsic Flame‐Retardant Polyphenylene Benzodiazole/Liquid Crystal Polyarylate Composites for Flexible Triboelectric Nanogenerators in Harsh Environment》（Adv. Mater. 2025, e13780），第一作者為東華大學喬小蘭副研究員。該研究得到了國家自然科學基金聯合基金、面上項目、四川省高技術有機纖維及復合材料重點實驗室開放課題、載人空間站工程空間科學與應用項目以及東華大學2025年學科創新領域培育項目的支持。

圖文介紹

  ?研究團隊以界面分子工程為設計核心，通過萘酰亞胺類聚合物（NDI-NH?）上漿改性解決 PBO 與 LCP 界面結合問題，實現力學強度大幅提升（圖1），并憑借材料自身共軛結構賦予的優異性能，成功構建耐高溫、本征阻燃的 TENG，為該材料器件在機器人極端環境應用中的可行性奠定基礎。

圖1 PBO/LCP復合材料界面設計及TENG的示意圖和應用演示

  材料的耐熱性能決定了材料在高溫環境下的應用。熱性能與阻燃性測試（圖2）表明，改性后的復合材料具有更高的熱分解溫度（T_d5%=497.3 ℃）和耐熱指數（T_HRI=303.9 ℃），尤其是在250 ℃ 時仍保持0.18 GPa的儲能模量，表明其在高溫下結構穩定性優異。在無任何阻燃劑的情況下，sized-PBO/LCP復合材料極限氧指數（LOI）高達36.4%，在火焰燃燒后無熔滴現象，遠優于傳統添加型阻燃聚合物，表現出優異的阻燃性能。

圖2 PBO/LCP的熱性能與阻燃性能

  基于該復合材料制備的TENG展現出卓越的極端環境適應性（圖3），其在 200°C 高溫下開路電壓達 42 V，較室溫提升 26.5%，且在火焰燃燒 10 s 后仍能保持近 100% 的電輸出性能，同時電輸出性能隨溫度升高線性增加。這種高溫增強特性源于溫度升高加速電子轉移、促進偶極子取向極化，以及改性后復合材料界面相容性提升帶來的穩定介電性能，同時 PBO/LCP 復合材料的高剛性結構與粗糙表面也進一步優化了摩擦電輸出效率，為消防、太空等極端環境應用提供自供電解決方案。

圖3 PBO/LCP復合材料介電和摩擦電性能

  總之，該研究通過NDI-NH?對 PBO 纖維進行表面上漿改性，借助界面分子工程構建非共價/共價相互作用，顯著提升了 PBO 與 LCP 基體的界面結合力和力學強度，充分發揮了 PBO 纖維優異的力學性能與 LCP 良好的熱穩定性優勢，展現了sized-PBO/LCP復合材料作為高溫下摩擦電材料的潛力。該研究通過結構功能一體化復合材料設計，為解決機器人在極端環境如高溫作業、消防救援和太空探索等的能源供給和溫度感知提供了創新性解決方案。

  原文鏈接 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202513780