實(shí)現(xiàn)聚合物復(fù)合材料強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能的協(xié)同提升一直是結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的根本性挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法雖然通過引入剛性纖維、納米填料或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)能夠改善單一性能，但往往因脆性界面失效或界面不匹配而導(dǎo)致整體力學(xué)性能下降。自然界提供了另一種范式，其層級結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)界面能夠在多尺度上協(xié)同耗散能量，然而現(xiàn)有的仿生設(shè)計大多依賴靜態(tài)界面增強(qiáng)策略，缺乏動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)性和廣泛材料適用性。

新加坡國立大學(xué)何超斌教授、Zhang Jie博士和中國海洋大學(xué)靳凱副教授合作提出了一種普適性增韌策略，將仿生骨小梁互鎖結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)驅(qū)動的應(yīng)力自適應(yīng)界面相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械載荷下的高效能量耗散。為應(yīng)對復(fù)合材料設(shè)計中的多目標(biāo)優(yōu)化挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了結(jié)合Pareto集學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動框架，系統(tǒng)探索組分-性能空間，識別出平衡的高性能配方。優(yōu)化后的復(fù)合材料展現(xiàn)出協(xié)同力學(xué)性能：強(qiáng)度高達(dá)250 MPa，斷裂韌性超過14 MPa·m1/2，抗沖擊性能接近4.8 J，超越了大多數(shù)仿生和工程聚合物材料。該策略具有可擴(kuò)展性、化學(xué)普適性和廣泛應(yīng)用前景，為航空航天、交通運(yùn)輸和防護(hù)領(lǐng)域的下一代輕質(zhì)復(fù)合材料提供了可編程路徑。相關(guān)論文以“Machine learning guided resolution of mechanical trade-off in polymer composites via stress adaptive interface”為題，發(fā)表在

Nature Communications

仿生骨小梁結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)自適應(yīng)界面

受天然骨小梁的層級多孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)效率啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)建立了以熱力學(xué)原理為指導(dǎo)的仿生復(fù)合材料設(shè)計范式（圖1）。該策略的核心是通過熱共混過程中的界面焓降低，減少聚合物鏈相互擴(kuò)散的能壘，促進(jìn)軟-硬界面處穩(wěn)定物理互鎖的形成。在骨小梁互鎖復(fù)合材料中，熱塑性聚氨酯作為纏結(jié)促進(jìn)劑形成類似膠原蛋白的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，聚醚酮酮剛性基體提供結(jié)構(gòu)剛性，而剪切取向的玄武巖纖維則構(gòu)建了骨小梁支架。通過熱活化，TPU鏈段逐漸擴(kuò)散進(jìn)入POK基體并沿BF界面分布，這種相互擴(kuò)散降低了界面焓，從而減少了物理纏結(jié)形成的能壘，形成動態(tài)的自適應(yīng)界面。

圖1 仿生骨小梁互鎖結(jié)構(gòu)與應(yīng)力自適應(yīng)界面設(shè)計。 a. 天然骨小梁的分級多孔結(jié)構(gòu)作為生物原型；b. 提出的復(fù)合材料策略：連續(xù)三維骨小梁支架通過熱力學(xué)驅(qū)動的軟-硬界面互鎖增強(qiáng)體，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力自適應(yīng)糾纏。

機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動的多目標(biāo)優(yōu)化框架

針對傳統(tǒng)試錯法在高維多目標(biāo)優(yōu)化中的局限性，研究團(tuán)隊(duì)引入了機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的多目標(biāo)優(yōu)化框架（圖2）。該框架結(jié)合Pareto集學(xué)習(xí)、高斯過程回歸和主動學(xué)習(xí)，系統(tǒng)探索組分-性能空間并識別近似的Pareto最優(yōu)解。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計策略建立包含50個代表性配方的初始數(shù)據(jù)集后，訓(xùn)練三個獨(dú)立的高斯過程回歸代理模型預(yù)測拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性和沖擊能耗散。隨著訓(xùn)練集規(guī)模從30增至50，三個目標(biāo)的交叉驗(yàn)證預(yù)測性能均系統(tǒng)提升，所有代理模型在50個樣本時達(dá)到統(tǒng)計可靠的準(zhǔn)確性。

圖2 傳統(tǒng)試錯設(shè)計與機(jī)器學(xué)習(xí)引導(dǎo)的多目標(biāo)優(yōu)化對比。 a. 傳統(tǒng)試錯方法逐一調(diào)整單一組分，建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，耗時且難以應(yīng)對高維多目標(biāo)問題；b. 機(jī)器學(xué)習(xí)引導(dǎo)框架結(jié)合帕累托集學(xué)習(xí)、高斯過程建模和主動學(xué)習(xí)，并行探索和優(yōu)化多個力學(xué)目標(biāo)?；谄媚Ｐ偷呐浞浇?jīng)高斯過程預(yù)測器評估，并通過力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)高性能配方的快速識別。

主動學(xué)習(xí)引導(dǎo)的Pareto前沿擴(kuò)展

為進(jìn)一步提高優(yōu)化效率，研究團(tuán)隊(duì)將主動學(xué)習(xí)與多目標(biāo)貝葉斯優(yōu)化相結(jié)合，迭代優(yōu)化學(xué)習(xí)的Pareto集（圖3）。通過采用結(jié)合置信下界準(zhǔn)則和超體積改進(jìn)的采集策略，從PSL生成的解池中選擇信息豐富且非支配的候選方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從初始數(shù)據(jù)集開始，實(shí)驗(yàn)樣本在強(qiáng)度-斷裂韌性空間中呈近似單調(diào)趨勢，但初始數(shù)據(jù)集中在中等性能區(qū)域。經(jīng)過連續(xù)主動學(xué)習(xí)迭代后，新選擇的配方逐步填充到高強(qiáng)高韌區(qū)域，拉伸強(qiáng)度超過245 MPa，斷裂韌性高于14.5 MPa·m1/2，同時保持高沖擊能耗散（>4.6 J）。超體積分析顯示，超過90%的總歸一化超體積增益在前十個額外實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，表明不確定性感知的迭代學(xué)習(xí)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法具有顯著更高的樣本效率。

偏好引導(dǎo)的Pareto解集提取

完成五輪主動學(xué)習(xí)迭代后，使用擴(kuò)展數(shù)據(jù)集重新訓(xùn)練PSL模型，得到優(yōu)化的Pareto集（圖3d-f）。在TPU-BF-POK組成空間中，Pareto一致解集中在相對狹窄的組成窗口內(nèi)，揭示出明確的高性能區(qū)域。在三維性能空間中，Pareto一致解形成光滑的流形狀軌跡，表明可實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)權(quán)衡受共同的結(jié)構(gòu)機(jī)制約束。通過指定目標(biāo)偏好向量，可以沿學(xué)習(xí)的流形直接提取對應(yīng)平衡型、強(qiáng)度優(yōu)先型、斷裂韌性優(yōu)先型和抗沖擊優(yōu)先型設(shè)計的代表性解，證實(shí)PSL在解生成過程中保留了偏好信息。

圖3 主動學(xué)習(xí)引導(dǎo)的帕累托前沿擴(kuò)展與偏好解析的帕累托流形。 a. 初始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集在強(qiáng)度-斷裂韌性空間的投影，顏色編碼抗沖擊性能；b. 主動學(xué)習(xí)迭代后新增配方填補(bǔ)高強(qiáng)高韌邊界；c. 非支配集的歸一化超體積隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化及每次主動學(xué)習(xí)更新的超體積增益增量；d-f. 完成五次主動學(xué)習(xí)迭代后重新訓(xùn)練帕累托集學(xué)習(xí)獲得的帕累托解：d. 在TPU-BF-POK組分空間的近似帕累托集；e. 帕累托解在強(qiáng)度-斷裂韌性-抗沖擊性能三維空間的分布；f. 帕累托集在強(qiáng)度-斷裂韌性平面的投影，標(biāo)記代表平衡、強(qiáng)度優(yōu)先、斷裂韌性優(yōu)先和抗沖擊優(yōu)先設(shè)計偏好的解。

偏好引導(dǎo)Pareto解的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器學(xué)習(xí)選擇的Pareto解，研究團(tuán)隊(duì)制備了對應(yīng)不同設(shè)計偏好的四個代表性配方（圖4）。在拉伸、缺口拉伸和沖擊加載下，宏觀響應(yīng)曲線高度一致，表明偏好引導(dǎo)選擇在同一高性能區(qū)域內(nèi)操作。定量性能指標(biāo)緊密聚集：拉伸強(qiáng)度約248-250 MPa，斷裂韌性保持在14.8-14.9 MPa·m1/2，沖擊能耗散約4.65-4.71 J，均處于實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。通過Ashby圖與天然和工程材料對比，所有四種設(shè)計在比強(qiáng)度-比斷裂韌性圖中落在先進(jìn)復(fù)合材料和骨樣材料區(qū)域，優(yōu)于傳統(tǒng)聚合物和非技術(shù)陶瓷。考慮密度時，所有配方保持在輕質(zhì)區(qū)域（<1000 kg/m3），同時保持10-20 MPa·m1/2的斷裂韌性，展現(xiàn)出罕見的低質(zhì)量與損傷容限組合。

圖4 優(yōu)化帕累托集中偏好引導(dǎo)解的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 a. 四種代表性設(shè)計的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b. 缺口拉伸試驗(yàn)的力-位移響應(yīng)；c. 沖擊力-位移曲線展示能量耗散過程；d-f. 拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性和抗沖擊性能的實(shí)驗(yàn)測量值總結(jié)；g-i. 相對于平衡配方的三個力學(xué)指標(biāo)的相對差異；j-l. Ashby圖基準(zhǔn)對比：j. 比斷裂韌性與比強(qiáng)度；k. 斷裂韌性隨密度的變化；l. 比沖擊能量耗散與比沖擊力。

動態(tài)應(yīng)力自適應(yīng)界面響應(yīng)機(jī)制

通過原位拉伸SEM和應(yīng)變分辨拉曼光譜，研究團(tuán)隊(duì)揭示了復(fù)合材料的動態(tài)界面響應(yīng)（圖5）。在約300%應(yīng)變時，裂紋張開被顯著的纖維橋接有效屏蔽，多個錨定在玄武巖纖維上的聚合物韌帶跨越裂紋面并保持機(jī)械嚙合。加載至約500%應(yīng)變時，橋接機(jī)制持續(xù)運(yùn)作，承力韌帶經(jīng)歷漸進(jìn)拉伸和變薄后延遲斷裂，裂紋沿偏轉(zhuǎn)路徑緩慢擴(kuò)展，伴隨周圍塑性區(qū)顯著擴(kuò)展。分子尺度上，拉曼光譜顯示羰基帶中心位移較小且非單調(diào)，表明拉伸應(yīng)力未持續(xù)累積在窄帶羰基鍵上；CH伸縮包絡(luò)的半高寬在高應(yīng)變下顯著展寬，與鏈段活動性、鏈重排和滑移的激活一致，證實(shí)了纏結(jié)界面在載荷下的漸進(jìn)重構(gòu)。

圖5 原位拉伸掃描電鏡和拉曼光譜揭示的動態(tài)應(yīng)力自適應(yīng)界面響應(yīng)。 a、b. 在約300%和約500%拉伸應(yīng)變下的原位拉伸掃描電鏡圖像，顯示裂紋演化；c、d. 拉伸加載過程中采集的應(yīng)變分辨拉曼光譜和對應(yīng)的應(yīng)變-波數(shù)熱圖；e、f. 羰基帶質(zhì)心位移和CH伸縮包絡(luò)半高寬的定量演化。

多尺度應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)演化

為揭示損傷容限的微觀機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)考察了應(yīng)變誘導(dǎo)的多尺度結(jié)構(gòu)演化（圖6）。在初始階段，SAXS和WAXS圖案呈現(xiàn)近乎圓形的各向同性環(huán)，反映取向納米域和鏈段的均勻分布。中等變形（50%應(yīng)變）時，SAXS圖案從各向同性環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的各向異性條紋，WAXS輪廓發(fā)展出明確的赤道弧，證明無定形和晶相沿載荷軸逐步取向。高變形水平（300%應(yīng)變）時，SAXS各向異性減弱，彌散WAXS環(huán)出現(xiàn)，表明預(yù)取向域破壞和微觀結(jié)構(gòu)相干性喪失；SAXS低q值強(qiáng)度增加反映納米尺度重排和界面擴(kuò)張，WAXS峰展寬和強(qiáng)度降低，DSC分析顯示熔融焓部分增加，表明應(yīng)力釋放時發(fā)生局部鏈重排和再結(jié)晶。

沖擊載荷下的層級能量耗散

平衡型POK-TPU-BF TICs具有層級結(jié)構(gòu)，賦予其優(yōu)異的低高速沖擊抗力（圖6h-i）。三維重建顯示連續(xù)互連的多孔基體與取向BF交織形成骨小梁框架。低速沖擊下，可逆孔塌陷和基體剪切，加上纏結(jié)界面通過鏈滑移和鏈段重排的能量耗散，實(shí)現(xiàn)分布阻尼。高速沖擊下，應(yīng)變局域化于沖擊點(diǎn)下方，限制在骨小梁界面區(qū)域；骨小梁骨架局部致密化、纖維拔出和橋接、界面鏈解纏協(xié)同作用耗散動能，有效抑制裂紋擴(kuò)展并防止災(zāi)難性破壞。

圖6 骨小梁互鎖復(fù)合材料的多尺度結(jié)構(gòu)演化和能量耗散機(jī)制。 a. 平衡型POK-TPU-BF骨小梁互鎖復(fù)合材料缺口拉伸斷面的橫截面掃描電鏡圖像；b. 0%、50%和300%應(yīng)變下的二維小角X射線散射圖案；c. 對應(yīng)的二維廣角X射線散射圖案；d. 一維小角X射線散射譜顯示應(yīng)變誘導(dǎo)的低q值強(qiáng)度增加；e. 一維廣角X射線散射譜揭示應(yīng)變誘導(dǎo)的結(jié)晶度損失；f. 分子動力學(xué)模擬界面失效過程；g. 不同應(yīng)變下的差示掃描量熱曲線；h. 三維X射線重建和掃描電鏡成像揭示的互穿多孔骨架與玄武巖纖維交織結(jié)構(gòu)；i. 高速沖擊下有效應(yīng)變分布的有限元模擬。

設(shè)計策略的普適性驗(yàn)證

基于熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)證明了TICs概念在化學(xué)和形態(tài)多樣性聚合物復(fù)合材料中的普適性（圖7）。該策略擴(kuò)展到工業(yè)相關(guān)熱塑性塑料（POK和聚酰胺6），增強(qiáng)相包括一維纖維（碳纖維、玄武巖纖維）和二維石墨烯納米片。盡管基體化學(xué)和增強(qiáng)體幾何形狀各異，每個系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度、斷裂韌性和延展性的協(xié)同提升。將石墨烯引入POK-TPU-G TICs，斷裂韌性比對照復(fù)合材料提高三倍以上，證實(shí)了該策略在二維納米片增強(qiáng)系統(tǒng)中的有效性。

圖7 設(shè)計策略在不同聚合物復(fù)合體系中的普適性驗(yàn)證。 a-c. 不同彈性體和纖維增強(qiáng)體系中骨小梁互鎖復(fù)合材料與非骨小梁互鎖復(fù)合材料的性能對比；d-f. POK-TPU-G骨小梁互鎖復(fù)合材料與POK-G非骨小梁互鎖復(fù)合材料的性能對比。

總結(jié)與展望

本研究提出的普適性增韌策略通過整合骨小梁互鎖結(jié)構(gòu)與熱驅(qū)動應(yīng)力自適應(yīng)界面，激活了包括鏈取向、結(jié)晶度調(diào)節(jié)、界面滑移和分子重組的層級變形機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜載荷下的高效能量耗散，克服了強(qiáng)度與韌性之間的傳統(tǒng)權(quán)衡。結(jié)合Pareto集學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)多目標(biāo)優(yōu)化框架，建立了可解釋且高效的設(shè)計空間，將用戶定義的性能目標(biāo)與最優(yōu)復(fù)合配方關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)平衡強(qiáng)度、斷裂韌性和抗沖擊性，同時減少實(shí)驗(yàn)工作量。這一集成設(shè)計與優(yōu)化策略為智能材料發(fā)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，與逆向設(shè)計工作流、增材制造和可持續(xù)材料輸入兼容，在熱塑性塑料、熱固性塑料和混合系統(tǒng)中的廣泛適用性突顯了其在航空航天、交通運(yùn)輸和防護(hù)技術(shù)等先進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的潛力。