基于超分子配位的宽温域自修复聚合物及其对推进剂关键力学性能的增强作用

针对复合固体推进剂存在的基体强度退化、药柱结构失效及界面脱粘等关键问题，研究人员通过超分子配位键的精确调控，开发出兼具宽温域（-40至70°C）自修复效率（>80%）与力学增强（断裂伸长率>1600%）的聚合物基体。该材料应用于推进剂后显著提升界面结合力与结构完整性，且不影响能量特性等关键性能，为高可靠性固体火箭发动机设计提供新策略。

　　

复合固体推进剂是火箭发动机的核心能源材料，其性能直接决定武器系统的可靠性。然而，这类由聚合物基体（如HTPB、GAP）、氧化剂（AP、NaNO₃
）、金属燃料（Al）等组成的多组分复合材料，在极端温度（-40至70°C）和复杂载荷下易出现基体开裂、界面脱粘等问题，导致弹道性能突变甚至爆炸事故。传统改进方法多聚焦工艺优化，但材料层面的自修复技术仍面临两大瓶颈：低温修复效率低（如-20°C仅68%）与力学强度牺牲（如PDMS基材料强度仅0.2 MPa）。

为解决这一挑战，陕西高校青年创新团队等机构的研究人员创新性地利用超分子配位键的可逆特性，通过精确调控配体数量与空间排布，开发出兼具高强度与宽温域自修复能力的聚合物基体。该成果发表于《Reactive and Functional Polymers》，为推进剂可靠性提升提供了材料级解决方案。

关键技术方法
研究采用分子动力学模拟计算Zn²⁺
与不同配体（吡啶基、氨基等）的键能，指导配体比例与添加顺序优化；通过原位红外光谱监测IPDI与HTPB/PDMS的嵌段共聚反应；利用动态力学分析（DMA）评估-60至100°C温域的力学性能；采用SEM观察推进剂断面界面结合状态；通过TG-DSC联用分析热分解行为。

研究结果

分子设计及结构表征
通过分析Zn²⁺
与DAP/PDMS中氨基的配位键强度差异，设计出梯度键能的三重配位网络：强键（Zn²⁺
-吡啶氮）提供力学支撑，中强键（Zn²⁺
-尿素羰基）实现室温修复，弱键（Zn²⁺
-硅氧烷）赋予低温可逆性。FTIR证实成功引入配位键（1540 cm^-1
处Zn-N特征峰），XPS显示Zn²⁺
配位环境的空间梯度分布。

力学与自修复性能
优化后的聚合物断裂伸长率达1600%，强度较纯HTPB提升3倍。在-40°C、25°C和70°C下的修复效率分别为82%、91%和85%，归因于梯度键能的协同作用：低温下弱键优先断裂-重组，高温下强键维持网络稳定性。

推进剂性能验证
含20%自修复聚合物的推进剂拉伸测试显示无界面脱粘，药柱结构完整性显著优于对照组。DMA证实玻璃化温度（T_g
）保持在-55°C，满足低温工况需求。TG分析表明自修复组分使AP分解峰温仅提高2.3°C，不影响能量特性。

结论与意义
该研究通过超分子配位键的精准编程，首次实现推进剂基体强度与自修复能力的协同提升。其创新性体现在：①建立配位键强度-修复效率-力学性能的定量调控模型；②提出"梯度键能"设计策略解决宽温域适配难题；③证实自修复功能对推进剂能量特性的零负面影响。这项工作不仅为高可靠固体火箭发动机开发提供新材料体系，其分子设计理念还可拓展至其他极端环境用复合材料领域。