摩擦/力致发光材料能将机械刺激直接转化为光信号，在自供能传感、应力/应变可视化、信息加密、人机交互与智能显示等领域展现出广阔的应用前景。将无机摩擦/力致发光粉体嵌入弹性聚合物基体，是构建可弯曲、可扭转、可拉伸柔性力-光响应器件的主流策略。在众多基体中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）凭借优异的光学透明性、易加工性，以及通过界面摩擦与剥离高效激发粉体发光的特性，成为摩擦/力致发光复合柔性材料中主流基体材料。然而，PDMS本征韧性低、抗裂纹扩展能力差，在循环载荷下极易萌生裂纹并快速贯穿基体，这不仅限制了复合材料的极限应变，也直接封锁了摩擦/力致发光亮度的提升空间，成为摩擦/力致发光柔性器件的关键瓶颈。

中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室摩擦物理与传感课题组王赵锋研究员团队长期从事摩擦/力致发光研究。近期，该团队联合烟台先进材料与绿色制造山东省实验室以及兰州大学，在摩擦/力致发光柔性材料与器件方面取得了重要进展。

受蛤蜊铰链硬/软交替层状结构的启发，研究团队发展出一种高/低韧性交替的仿生多层复合策略，即以高韧性硅橡胶（SR）为间隔层，将经典的ZnS:Cu@Al₂O₃/PDMS功能层逐层切分，构筑出仿蛤蜊铰链的多层ML复合薄膜。该薄膜的断裂应变由约100%大幅提升至500%，断裂韧性由0.95 MJ/m³提高到4.93 MJ/m³，极限摩擦/力致发光亮度提升了逾4倍，并在拉伸极限下连续工作超过30000次循环（图1），实现了摩擦/力致发光柔性器件力学性能与发光性能的同步跃升。

图1.（a）蛤蜊的照片及其壳体铰链切面结构示意图。（b）9层摩擦/力致发光薄膜照片。（c）3层、5层、7层和9层薄膜截面。（d） 9层摩擦/力致发光薄膜在拉伸、揉捏、刮擦和撕裂等机械刺激下的发光照片。（e）9层摩擦/力致发光薄膜由0%拉伸至400%过程中的发光照片。

蛤蜊铰链一生中可以开合数十万次而不产生损伤，源于其独特的同心层状结构，即高延展性有机基质与硬质纳米线交替排列。其中，硬层承担拉伸载荷，软层通过剪切变形传递并耗散能量。研究团队模仿该结构，发展出了交替旋涂与分步热固化工艺，将SR高韧性层与ZnS:Cu@Al₂O₃/PDMS功能层逐层堆叠，在约1 mm的总厚度内制备出3层、5层、7层和9层结构的多层薄膜。得益于SR与PDMS的化学相似性，多层膜层间结合牢固且界面平整，完好继承了对拉伸、揉捏、刮擦、撕裂等机械刺激的发光响应能力。

图2.单层及3-9层摩擦/力致发光薄膜的（a）应力-应变曲线、（b）断裂强度与断裂韧性、（c）极限拉伸应变与杨氏模量。（d）200%拉伸应变下3-9层薄膜的应力循环次数（S-N）曲线。（e）极限应变下7层和9层薄膜的S-N曲线。（f）9层薄膜在100%至400%应变下的循环应力应变曲线。（g）多层结构延展性增强机制示意图。

力学测试表明，随着功能层被SR逐层细分，复合薄膜的极限拉伸应变由约100%单调提升至约500%，断裂韧性由0.95 MJ/m³提高到4.93 MJ/m³，而断裂强度基本保持平稳（1.88至2.12 MPa）。疲劳性能同时得到改善，在200%应变下，3层与5层样品的循环寿命分别为145次和500次，而7层与9层样品均超过1000次。即使在400%应变下，9层样品仍能承受超过1000次拉伸循环（图2）。机制研究显示，层厚的减小缩短了应力传递路径，使应力沿厚度方向快速均匀化，从而避免了表面应力集中导致的裂纹萌生。同时，多层结构削弱了分子链沿拉伸方向的空间受限，促进了分子链高效伸展。另一方面，高韧性SR层能够钝化裂纹尖端，通过剪切变形与层间滑移而大量耗散断裂能，从而抑制裂纹扩展与层间剥离（图3）。缺口测试与有限元模拟进一步证实，即使人为引入2 mm缺口，多层膜在400%应变下仍不发生断裂。而原始PDMS膜在相同缺陷下的断裂应变骤降至40%，且预制界面裂纹在SR层中的扩展速度也显著慢于PDMS层（图3）。

图3.（a）单层与9层样品在断裂（左）、原始（中）和10000次拉伸疲劳（右）状态下的截面SEM照片。（b）含单侧缺口的9层薄膜在不同应变下的照片。（c）有限元模拟的含缺口9层薄膜在不同应变载荷下的应力分布图。 

在提升力学性能的同时，多层结构的设计并未改变材料的发光特征。结果显示，该类复合薄膜的摩擦/力致发光亮度由应变而非应力主导。由于多层薄膜在相同应力下能够产生更大的应变，其应力灵敏度显著提高，9层薄膜在低至10%的应变下即可产生可检测的摩擦/力致发光信号。在0%至400%的宽应变范围内，摩擦/力致发光强度随应变单调准线性增长，可实现应变的实时追踪。在400%应变下连续拉伸30000次后，其发光强度依然保持稳定（图4）。这些结果证实，基体有限的拉伸性是制约PDMS基复合材料极限亮度的首要因素，而仿生多层结构设计在拓宽传感范围的同时，将亮度上限也提升了4倍以上，从而刷新了PDMS基摩擦/力致发光复合柔性器件的性能指标。

图4.（a）拉伸测试装置示意图。（b）单层及3-9层薄膜在不同拉伸应变下的摩擦/力致发光强度。（c）拉伸过程中9层与单层薄膜摩擦/力致发光强度随应变的变化。（d）9层薄膜摩擦/力致发光强度及应变变化。（e）9层薄膜在400%应变下重复拉伸30000次的摩擦/力致发光强度变化。（f）单层薄膜在100%应变下重复拉伸30000次的强度变化。

基于优异的综合性能，研究团队展示了该多层薄膜的应用潜力（图5）。该薄膜可加工成各种图案，无需外接电源即可在拉伸下显示。通过书写动作，可在其表面实时呈现出具有强度分布的笔迹，从而实现力学信息的可视化记录与显示。此外，拉伸、揉捏、刮擦、撕裂等不同刺激下产生的发光信号特征迥异，可用于力学类型的准确识别。进一步研究发现，该多层结构薄膜可加工成织物纤维并编织成智能织物，在拉伸下发出明亮的摩擦/力致发光。基于此构建的无线人体运动监测系统，可将关节弯曲触发的摩擦/力致发光信号经光电转换实时传输至手机，实现人体运动状态与健康风险的远程、无线评估。

图5.（a）编织法制备的智能织物及其摩擦/力致发光照片。（b）无线人体运动状态监测系统的照片与示意图。（c）9层摩擦/力致发光薄膜的结构健康自诊断示意图。

上述研究成果以“Bio-Inspired High-Low Toughness Multilayer Mechanoluminescent Composite with Superior Mechanical Properties” 为题发表在Advanced Materials（http://doi.org/10.1002/adma.74267）上。兰州化物所为该论文第一完成单位，联合培养博士生靳先锋为论文第一作者，兰州化物所王赵锋研究员、烟台先进材料与绿色制造山东省实验室周勃副研究员和兰州大学张加驰教授为论文共同通讯作者。

以上研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金面上项目、中国科学院区域发展青年学者项目、中国科学院“西部之光-西部交叉团队”专项、甘肃省自然科学基金重点项目等支持。