随着机器人在消防救援、太空探索等极端环境中的应用日益广泛，传统聚合物材料在高温下易发生降解、电荷耗散等问题，严重制约了机器人的自主运行能力。摩擦纳米发电机（TENG）虽具有可持续性优势，但其电输出性能在恶劣环境下会因摩擦电层失效而急剧下降。因此，迫切需要开发适用于恶劣条件下工作的具有多功能集成的耐高温且力学性能优异的摩擦电材料。

  针对这一挑战，东华大学朱美芳院士、游正伟教授、管清宝教授研究团队和高技术有机纤维及复合材料四川省重点实验室陈超峰博士合作开展界面分子工程设计，成功研发出一种兼具高耐温性与力学强度的复合材料——聚对苯撑苯并噁唑（PBO）纤维增强液晶聚芳酯（LCP）复合材料。

  2025年11月19日，该工作发表于《Advanced Materials》期刊，题为《Highly Robust and Intrinsic Flame‐Retardant Polyphenylene Benzodiazole/Liquid Crystal Polyarylate Composites for Flexible Triboelectric Nanogenerators in Harsh Environment》（Adv. Mater. 2025, e13780），第一作者为东华大学乔小兰副研究员。该研究得到了国家自然科学基金联合基金、面上项目、四川省高技术有机纤维及复合材料重点实验室开放课题、载人空间站工程空间科学与应用项目以及东华大学2025年学科创新领域培育项目的支持。

图文介绍

  ?研究团队以界面分子工程为设计核心，通过萘酰亚胺类聚合物（NDI-NH?）上浆改性解决 PBO 与 LCP 界面结合问题，实现力学强度大幅提升（图1），并凭借材料自身共轭结构赋予的优异性能，成功构建耐高温、本征阻燃的 TENG，为该材料器件在机器人极端环境应用中的可行性奠定基础。

图1 PBO/LCP复合材料界面设计及TENG的示意图和应用演示

  材料的耐热性能决定了材料在高温环境下的应用。热性能与阻燃性测试（图2）表明，改性后的复合材料具有更高的热分解温度（T_d5%=497.3 ℃）和耐热指数（T_HRI=303.9 ℃），尤其是在250 ℃ 时仍保持0.18 GPa的储能模量，表明其在高温下结构稳定性优异。在无任何阻燃剂的情况下，sized-PBO/LCP复合材料极限氧指数（LOI）高达36.4%，在火焰燃烧后无熔滴现象，远优于传统添加型阻燃聚合物，表现出优异的阻燃性能。

图2 PBO/LCP的热性能与阻燃性能

  基于该复合材料制备的TENG展现出卓越的极端环境适应性（图3），其在 200°C 高温下开路电压达 42 V，较室温提升 26.5%，且在火焰燃烧 10 s 后仍能保持近 100% 的电输出性能，同时电输出性能随温度升高线性增加。这种高温增强特性源于温度升高加速电子转移、促进偶极子取向极化，以及改性后复合材料界面相容性提升带来的稳定介电性能，同时 PBO/LCP 复合材料的高刚性结构与粗糙表面也进一步优化了摩擦电输出效率，为消防、太空等极端环境应用提供自供电解决方案。

图3 PBO/LCP复合材料介电和摩擦电性能

  总之，该研究通过NDI-NH?对 PBO 纤维进行表面上浆改性，借助界面分子工程构建非共价/共价相互作用，显著提升了 PBO 与 LCP 基体的界面结合力和力学强度，充分发挥了 PBO 纤维优异的力学性能与 LCP 良好的热稳定性优势，展现了sized-PBO/LCP复合材料作为高温下摩擦电材料的潜力。该研究通过结构功能一体化复合材料设计，为解决机器人在极端环境如高温作业、消防救援和太空探索等的能源供给和温度感知提供了创新性解决方案。

  原文链接 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202513780