聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）纸因其超高的力学性能作为抗冲击损伤的理想保护材料而引起了广泛关注。为了追求额外的性能，基于PMIA基体和各种填料的复合材料是近年来的研究热点之一。然而，由于不同材料间具有严重的界面相容性问题，大部分改性方法降低了材料的机械性能。

近期，华北电力大学庾翔副教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Self-Reinforced Doping Strategy in the Multiscale PMIA Paper for High Mechanical Properties and Insulating Performance”。研究者提出了一种以微米PMIA纤维（AMFs）为填料，以纳米PMIA纤维（ANFs）为基质的微纳米纸自增强掺杂策略。AMFs/ANFs复合体系是通过在DMAC/LiCl环境里获取ANFs，之后加入AMFs均匀分散来实现的。在此过程中，AMFs被ANFs完全包裹，且由于没有界面相容性问题的限制，纳米纤维紧密地排列并粘附在微纤维上，从而在界面上原位生成氢键，促进机械性能的提升。

图1 自增强AMFs/ANFs复合纸的制备过程。

原始ANF纸样显示出相对较低的力学性能，弹性模量为645 MPa，拉伸强度为16.6 MPa，断裂伸长率为3.2%。在掺杂机械性能更优的AMFs后，随着掺比增加，纸样的力学性能不断提高。对于掺杂5 wt%AMFs的样品，这三个关键参数分别增加到1530 MPa、24.8 MPa和5.3%，分别比原始ANF纸样高出142%、49.4%和65%。

图2 微纳米纸的力学性能。

经过一个缓慢的拉伸过程，通过SEM观察到掺杂5 wt%AMFs纸样的断裂横截面形貌。其中，测试样品从中间断裂，被拉出的AMFs作为骨架，为相邻的ANFs提供了大量的粘附位点，承担了更多拉应力和应力耗散能量。

图3 拉伸过程中纤维取向的变化。

由于AMFs（>3）和ANFs（2.3-3）之间的介电常数不同，施压后，纸内两种组分的界面上会出现电场畸变，从而使击穿场强降低。然而，AMF中晶体结构的紧密周期性排列使其比ANFs具有更高的绝缘强度，随着AMFs含量的增加，ANFs的分布和粘附更加紧密，占据了界面处的孔隙，弥补了界面缺陷，促进了绝缘性能的提升。

图4 微纳米纸样品的电气性能。

作者采用自强化掺杂策略实现了具有高机械性能的多尺度PMIA材料。改性后的样品还显示出优越的延展性、可折叠性、可裁剪性以及可着色性。在电性能方面，提高AMFs掺比可以增强复合材料的绝缘性能。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c11566

人物简介：

律方成，华北电力大学教授，博士生导师。河北省输变电设备安全防御重点实验室主任，全国特高压交流输电标准化技术委员会委员，工信部储能与智能电网专项责任专家，河北省电机工程学会高电压及电器技术专委会副主任委员，兼任中国电力教育协会电气工程教学委员会委员。主要从事电气设备智能巡检与故障诊断和新型电工绝缘材料的研发及理论研究，先后主持国家“973”、“863”课题、国家重大科学仪器设备开发“重点专项”（首席）。

庾翔，华北电力大学副教授，硕士生导师。2016年在厦门大学获硕士学位。2016年赴法国公派留学，2019年在法国国家科学研究中心、里尔大学获博士学位，主要从事纳米复合材料的储能及能量转换领域研究。在Nature Energy，Nature Communication等期刊发表论文14篇。