航天学院赫晓东、王超教授团队揭示高速冲击下二维共价有机框架的力学响应机制

哈工大全媒体（郝维哲 文/图）近日，航天学院赫晓东、王超教授团队从理论上揭示了共价有机框架材料在极端动力学加载条件下的力学行为与失效机制，从根本上阐释高速冲击过程其能量耗散机制，为新一代轻质高强冲击防护材料的设计与开发奠定了理论基础。相关研究成果以《抗多次冲击的二维共价有机框架》（Multiple impact-resistant 2D Covalent Organic Framework）为题发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。

二维共价有机框架（COF）作为一类新兴的长程有序的晶态有机聚合物，具有轻质、高强、永久开放的孔道结构和优异的结构功能可设计性等优势，在催化、能量储存、气体吸附、药物输送、传感器和光电器件等领域受到广泛的关注。然而，目前对其高速冲击下力学响应机制的研究鲜有报道，这对于新一代纳米冲击防护材料的结构设计和工程应用至关重要。

针对这一难题，赫晓东、王超教授团队利用大尺度分子动力学方法，探索了在高速冲击下二维共价有机框架的力学行为与失效机制。该研究从原子尺度观察到由二维共价有机框架结构的超大变形能力，以及局部聚合物链结构独特的扭转耗能机制，能显著促进冲击动能耗散。同时，研究发现二维共价有机框架的比穿透能远高于钢、凯夫拉等传统抗冲击材料，可变形的纳米框架结构能有效地抑制裂纹的扩展，相比于石墨烯等脆性高强度材料，其缺陷不敏感性极大提升了二维共价有机框架抵抗多次冲击时的可靠性，这对于冲击防护材料的安全性与重复利用具有重要的现实意义，为下一代抗冲击高性能聚合物的设计开发提供了新思路。

近年来，赫晓东、王超教授团队致力于跨尺度纳米复合材料的结构设计及其在航空航天等领域应用，搭建了跨尺度力学测试平台、建立了跨尺度理论分析方法，解决了一系列基础科学问题和工程技术问题，相关成果发表于《物质》（Matter）、《纳米快报》（Nano Letters）等期刊，获得了国内外专家同行的广泛关注。

哈工大为论文唯一通讯单位，博士生郝维哲为论文第一作者，王超教授、赫晓东教授、隋超副教授和赵予顺助理教授为共同通讯作者。博士生苗琳琳、程功、赵国欣、李钧姣、桑雨娜、李佳璇、赵晨曦参与研究工作。

该研究工作获得国家自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04747

二维共价有机框架抗冲击示意图