跨尺度界面工程增强"刚性"HMX晶体与"柔性"粘合剂间的界面强化机制研究

为解决聚合物粘结炸药(PBXs)中刚性高能晶体与柔性聚合物基体间因模量失配导致的界面失效问题，北京理工大学团队通过仿生策略在HMX晶体表面构建纳米结构，成功制备出厚度增加654%的梯度界面相，使复合材料断裂模式从界面剥离转变为基体 cohesive 断裂，为高性能PBXs设计提供了新思路。

　　

在军事和民用领域，聚合物粘结炸药(PBXs)是实现高能量密度与机械性能平衡的关键材料。然而，高能晶体(如HMX)与聚合物粘合剂(如F2314)之间高达2-4个数量级的模量差异，导致界面应力集中和早期失效，严重制约材料性能。传统通过化学修饰或添加偶联剂的方法往往牺牲能量密度或引入安全隐患，这成为制约PBXs发展的"阿喀琉斯之踵"。

北京理工大学材料科学与工程学院的研究团队从生物组织中软硬组织连接的梯度模量结构中获取灵感，在《Materials》发表创新研究。研究人员摒弃化学改性思路，首创性地通过超快异相成核技术，在HMX晶体表面构建尺寸匹配F2314链旋转半径(R_g)的纳米结构，实现了物理锚定诱导的界面强化。

研究采用多尺度表征技术：通过SEM/AFM定量表征纳米结构形貌，XRD/DSC分析结晶行为，¹⁹F LF-NMR检测链段运动性，DMA评估动态力学性能，结合AFM模量映射精确测定界面厚度。特别设计的薄膜复合材料模型和断裂形貌分析揭示了失效机制转变。

【表面形貌与化学结构】

调控核壳质量比(C/S)和H⁺浓度，制备出尺寸10-100nm的可控表面纳米岛结构。AFM显示最佳样品B2(64±9nm)的粗糙度达509nm，且保持β-HMX晶型，接触角提升至128°，证实物理修饰未改变化学本质。

【F2314结晶行为调控】

当纳米结构与F2314的R_g(约60nm)匹配时，XRD结晶度从21.2%提升至34.6%。DSC和LF-NMR证实纳米锚定点限制链段运动，使玻璃化转变温度(T_g)升高14°C。

【动态力学性能】

DMA测试揭示Tanδ峰向高温移动，通过分峰拟合发现刚性非晶相(RAF)比例与结晶度正相关。储能模量提升表明梯度界面有效传递应力。

【界面失效模式】

SEM显示原始样品呈现干净界面剥离，而纳米结构化样品B2出现基体撕裂和穿晶断裂，拉伸强度提升131%至4.88MPa，证实界面强化效果。

【界面厚度量化】

AFM模量映射显示界面层从67nm拓展至509nm，增幅654%。厚度与结晶度的线性关系验证"尺寸匹配诱导结晶"的设计理念。

该研究开创性地证明：通过精确控制表面纳米结构与聚合物R_g的尺寸匹配，可物理诱导形成跨尺度梯度界面相。这种仿生策略使PBXs在保持能量密度前提下，实现界面厚度6倍增长和力学性能倍增，为高安全性能量材料设计提供了新范式。研究揭示的"尺寸匹配-结晶调控-梯度形成"机制，对其它刚性-柔性复合体系具有普适指导意义。