分子橋接異質(zhì)界面工程突破柔性顯示屏保護(hù)材料困境

柔性光電器件正加速推動(dòng)智能終端向可折疊、可卷曲、可穿戴等全新形態(tài)演進(jìn)。然而，在反復(fù)彎折、擠壓和摩擦等復(fù)雜機(jī)械力作用下，顯示模組往往會(huì)因防護(hù)不足而發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷甚至功能失效，這已成為制約柔性顯示技術(shù)可靠性與規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸?，F(xiàn)有的顯示保護(hù)材料體系普遍面臨透明性、硬度與柔韌性等難以兼顧的性能悖論：無機(jī)玻璃雖堅(jiān)硬但缺乏韌性，聚合物則反之，而傳統(tǒng)有機(jī)/無機(jī)復(fù)合體系又存在不期望的界面問題。因此，在單一材料體系中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的光學(xué)、機(jī)械與長期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的跨尺度統(tǒng)一，已成為柔性顯示器件領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)與工程問題。

近日，上海交通大學(xué)路慶華教授團(tuán)隊(duì)通過“界面相調(diào)控”策略，成功構(gòu)筑了一種雙層結(jié)構(gòu)的透明膜材料。該材料采用大尺寸的多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）作為硬涂層，無色聚酰亞胺（CPI）作為柔性基層，并通過熱引發(fā)界面共價(jià)鍵合實(shí)現(xiàn)二者的一體化集成。穩(wěn)健而高強(qiáng)的相界面結(jié)構(gòu)確保硬層與軟層各自固有優(yōu)勢(shì)保留的同時(shí)，還促進(jìn)跨界面協(xié)同功能的產(chǎn)生，從而在單一體系材料中實(shí)現(xiàn)了玻璃般硬度、聚合物般柔韌性以及陶瓷般耐磨性的協(xié)同共存，展現(xiàn)出>89.6%的透光率、7H鉛筆硬度、耐受超過500次鋼絲絨磨損循環(huán)的能力，且在1毫米彎曲半徑下經(jīng)歷20萬次彎曲循環(huán)后不產(chǎn)生折痕。該研究不僅突破了長期困擾柔性顯示防護(hù)材料的性能瓶頸，也為調(diào)和材料的互斥性能提供了破局新思路。

2026 年3月19日，相關(guān)研究成果以“Molecularly Bridged Heterointerface Engineering: Designing Transparent, Wear-Resistant, Hard yet Flexible Optoelectronic Protective Film”為題，發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》。上海交通大學(xué)路慶華教授與浙江理工大學(xué)向雙飛特聘副教授為論文的共同通訊作者，上海交通大學(xué)博士生陸輝揚(yáng)為本文的第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

圖1 POSS–CPI雙層透明材料的設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)首先從性能解耦的角度出發(fā)，通過精準(zhǔn)分離獲得了三種均含有甲基丙烯酸酯基但核心籠尺寸不同的POSS單體（T8-MMA、T10-MMA 和 T12-MMA）?；谌咴谖锢硇螒B(tài)和反應(yīng)特性上的差異，分別采用光或熱交聯(lián)的方式將其轉(zhuǎn)化為類玻璃的雜化材料（PT8MMA、PT10MMA 和 PT12MMA）。隨后，系統(tǒng)評(píng)估了這些材料的光學(xué)、表面和機(jī)械性能（圖2，3）。交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及表面孔結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致透明性與柔韌性隨POSS籠尺寸增大而降低，而硬度與疏水性則呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。由此，研究建立了清晰的“結(jié)構(gòu)–性能”映射關(guān)系，為后續(xù)材料的導(dǎo)向化應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

圖2 類玻璃POSS硬涂層的制備

圖3 類玻璃POSS硬涂層的光學(xué)及表面性能

圖4 類玻璃硬涂層的機(jī)械性能

在三種POSS涂層體系中，PT10MMA展現(xiàn)出綜合最優(yōu)的性能組合（圖4），包括：550 nm波長處透光率>90%，鉛筆硬度達(dá)9 H，可耐受1000次鋼絲絨磨損循環(huán)，彈性回復(fù)率We= 85%和彎折半徑R= 0.55 mm（涂覆于CPI薄膜上），這些指標(biāo)使其極具作為柔性光電器件防護(hù)層的應(yīng)用潛力。然而，研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)PT10MMA與CPI基材之間會(huì)出現(xiàn)自發(fā)分層現(xiàn)象。這種由界面粘附力不足導(dǎo)致的異質(zhì)界面失效是制約類玻璃硬質(zhì)材料在柔性顯示領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)之一，凸顯了對(duì)界面工程進(jìn)行根本性改進(jìn)的必要性。

圖5“軟—硬”雙層結(jié)構(gòu)膜的制備及結(jié)構(gòu)表征

為此，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將PT10MMA與熱敏性CPI共價(jià)鍵合，從而在分子尺度構(gòu)建了具有“軟—硬”雙層結(jié)構(gòu)的新型膜材料（CPI-PT10MMA）。多尺度結(jié)構(gòu)和性能分析表明，該結(jié)構(gòu)的異質(zhì)界面強(qiáng)度>71.0 MPa，顯著優(yōu)于依賴范德華力或氫鍵作用的涂層體系，保證了多尺度性能的協(xié)同優(yōu)化（圖5，6）。該結(jié)構(gòu)不僅有效避免了傳統(tǒng)物理界面層的粘附失效問題，還彌補(bǔ)了硬質(zhì)涂層易脆以及柔性基材硬度不足的短板。進(jìn)一步而言，高度穩(wěn)定的納米相界面有利于應(yīng)力的有效再分配，從而有效抑制了硬質(zhì)涂層的早期失穩(wěn)，并顯著提升了柔性基材的應(yīng)變耐受能力。所以，CPI-PT10MMA膜具備近乎完全對(duì)折與形變回復(fù)能力，展現(xiàn)出的水滴形彎折模式也與當(dāng)前主流的折疊顯示蓋板結(jié)構(gòu)需求高度匹配。

圖6“軟—硬”雙層結(jié)構(gòu)膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)估

圖7“軟—硬”薄膜的服役性能評(píng)估

得益于穩(wěn)健的異質(zhì)界面工程策略，該雙層結(jié)構(gòu)薄膜在保持材料單體優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，充分發(fā)揮了協(xié)同效應(yīng)。最終，CPI-PT10MMA薄膜實(shí)現(xiàn)了>89.6%的透光率、7H鉛筆硬度、>500次鋼絲絨磨損循環(huán)，以及在70℃條件下應(yīng)變回復(fù)率仍>90%。更值得注意的是，即使經(jīng)過20萬次（R=1 mm）的彎折測(cè)試也沒有出現(xiàn)任何開裂、分層或永久屈服現(xiàn)象（圖7）。此外，該材料在低溫和富氧等極端環(huán)境下也具備優(yōu)異的耐久性，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用場景。

該工作在單一材料體系中實(shí)現(xiàn)了光學(xué)透明性、柔韌性、穩(wěn)定性、硬度和抗刮擦性之間的協(xié)同統(tǒng)一，展現(xiàn)出傳統(tǒng)超薄玻璃（UTG）和CPI材料難以比擬的綜合優(yōu)勢(shì)。所以，該材料不僅有望推動(dòng)可折疊顯示蓋板從多層的“三明治”結(jié)構(gòu)向單層結(jié)構(gòu)演進(jìn)，也為新一代光電顯示技術(shù)提供了強(qiáng)大的材料設(shè)計(jì)平臺(tái)。

該項(xiàng)工作是團(tuán)隊(duì)圍繞柔性顯示用“芯-屏光電功能材料”研究的延續(xù)。近年來，團(tuán)隊(duì)在開展耐高溫、低膨脹、高模量和抗疲勞透明柔性材料的開發(fā)方面取得系列進(jìn)展：先后通過分子機(jī)械互鎖鏈策略開發(fā)了高強(qiáng)度和高韌性的CPI蓋板膜（Polymer, 2022, 259, 125358）；基于機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建柔性顯示用透明蓋板CPI的分子機(jī)制（Adv. Funct. Mater. 2024, 34，2409143）；發(fā)展“軟-硬梯度”結(jié)構(gòu)的新一代超薄柔性顯示用類玻璃薄膜（FlexMat, 2025, 2, 132）；以及提出分子預(yù)編程策略設(shè)計(jì)具有硬度、柔韌性、水/氧阻隔性能和抗反射性能的多功能POSS涂層（Prog. Org. Coat. 2026, 212, 109873）；

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https://doi.org/10.1002/advs.74911