分子桥接异质界面工程突破柔性显示屏保护材料困境
柔性光电器件正加速推动智能终端向可折叠、可卷曲、可穿戴等全新形态演进。然而，在反复弯折、挤压和摩擦等复杂机械力作用下，显示模组往往会因防护不足而发生结构损伤甚至功能失效，这已成为制约柔性显示技术可靠性与规模化应用的关键瓶颈。现有的显示保护材料体系普遍面临透明性、硬度与柔韧性等难以兼顾的性能悖论：无机玻璃虽坚硬但缺乏韧性，聚合物则反之，而传统有机/无机复合体系又存在不期望的界面问题。因此，在单一材料体系中实现优异的光学、机械与长期结构稳定性的跨尺度统一，已成为柔性显示器件领域亟待突破的关键科学与工程问题。
近日，上海交通大学路庆华教授团队通过“界面相调控”策略，成功构筑了一种双层结构的透明膜材料。该材料采用大尺寸的多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）作为硬涂层，无色聚酰亚胺（CPI）作为柔性基层，并通过热引发界面共价键合实现二者的一体化集成。稳健而高强的相界面结构确保硬层与软层各自固有优势保留的同时，还促进跨界面协同功能的产生，从而在单一体系材料中实现了玻璃般硬度、聚合物般柔韧性以及陶瓷般耐磨性的协同共存，展现出>89.6%的透光率、7H铅笔硬度、耐受超过500次钢丝绒磨损循环的能力，且在1毫米弯曲半径下经历20万次弯曲循环后不产生折痕。该研究不仅突破了长期困扰柔性显示防护材料的性能瓶颈，也为调和材料的互斥性能提供了破局新思路。
2026 年3月19日，相关研究成果以“Molecularly Bridged Heterointerface Engineering: Designing Transparent, Wear-Resistant, Hard yet Flexible Optoelectronic Protective Film”为题，发表于学术期刊《Advanced Science》。上海交通大学路庆华教授与浙江理工大学向双飞特聘副教授为论文的共同通讯作者，上海交通大学博士生陆辉扬为本文的第一作者。该研究得到了国家自然科学基金的支持。
图1 POSS–CPI双层透明材料的设计
研究团队首先从性能解耦的角度出发，通过精准分离获得了三种均含有甲基丙烯酸酯基但核心笼尺寸不同的POSS单体（T8-MMA、T10-MMA 和 T12-MMA）。基于三者在物理形态和反应特性上的差异，分别采用光或热交联的方式将其转化为类玻璃的杂化材料（PT8MMA、PT10MMA 和 PT12MMA）。随后，系统评估了这些材料的光学、表面和机械性能（图2，3）。交联网络及表面孔结构的差异导致透明性与柔韧性随POSS笼尺寸增大而降低，而硬度与疏水性则呈现相反趋势。由此，研究建立了清晰的“结构–性能”映射关系，为后续材料的导向化应用奠定了理论基础。
图2 类玻璃POSS硬涂层的制备
图3 类玻璃POSS硬涂层的光学及表面性能
图4 类玻璃硬涂层的机械性能
在三种POSS涂层体系中，PT10MMA展现出综合最优的性能组合（图4），包括：550 nm波长处透光率>90%，铅笔硬度达9 H，可耐受1000次钢丝绒磨损循环，弹性回复率We= 85%和弯折半径R= 0.55 mm（涂覆于CPI薄膜上），这些指标使其极具作为柔性光电器件防护层的应用潜力。然而，研究同时发现PT10MMA与CPI基材之间会出现自发分层现象。这种由界面粘附力不足导致的异质界面失效是制约类玻璃硬质材料在柔性显示领域规模化应用的核心挑战之一，凸显了对界面工程进行根本性改进的必要性。
图5“软—硬”双层结构膜的制备及结构表征
为此，研究团队巧妙地将PT10MMA与热敏性CPI共价键合，从而在分子尺度构建了具有“软—硬”双层结构的新型膜材料（CPI-PT10MMA）。多尺度结构和性能分析表明，该结构的异质界面强度>71.0 MPa，显著优于依赖范德华力或氢键作用的涂层体系，保证了多尺度性能的协同优化（图5，6）。该结构不仅有效避免了传统物理界面层的粘附失效问题，还弥补了硬质涂层易脆以及柔性基材硬度不足的短板。进一步而言，高度稳定的纳米相界面有利于应力的有效再分配，从而有效抑制了硬质涂层的早期失稳，并显著提升了柔性基材的应变耐受能力。所以，CPI-PT10MMA膜具备近乎完全对折与形变回复能力，展现出的水滴形弯折模式也与当前主流的折叠显示盖板结构需求高度匹配。
图6“软—硬”双层结构膜的结构稳定性评估
图7“软—硬”薄膜的服役性能评估
得益于稳健的异质界面工程策略，该双层结构薄膜在保持材料单体优势的同时，充分发挥了协同效应。最终，CPI-PT10MMA薄膜实现了>89.6%的透光率、7H铅笔硬度、>500次钢丝绒磨损循环，以及在70℃条件下应变回复率仍>90%。更值得注意的是，即使经过20万次（R=1 mm）的弯折测试也没有出现任何开裂、分层或永久屈服现象（图7）。此外，该材料在低温和富氧等极端环境下也具备优异的耐久性，进一步拓展了其应用场景。
该工作在单一材料体系中实现了光学透明性、柔韧性、稳定性、硬度和抗刮擦性之间的协同统一，展现出传统超薄玻璃（UTG）和CPI材料难以比拟的综合优势。所以，该材料不仅有望推动可折叠显示盖板从多层的“三明治”结构向单层结构演进，也为新一代光电显示技术提供了强大的材料设计平台。
该项工作是团队围绕柔性显示用“芯-屏光电功能材料”研究的延续。近年来，团队在开展耐高温、低膨胀、高模量和抗疲劳透明柔性材料的开发方面取得系列进展：先后通过分子机械互锁链策略开发了高强度和高韧性的CPI盖板膜（Polymer, 2022, 259, 125358）；基于机器学习构建柔性显示用透明盖板CPI的分子机制（Adv. Funct. Mater. 2024, 34，2409143）；发展“软-硬梯度”结构的新一代超薄柔性显示用类玻璃薄膜（FlexMat, 2025, 2, 132）；以及提出分子预编程策略设计具有硬度、柔韧性、水/氧阻隔性能和抗反射性能的多功能POSS涂层（Prog. Org. Coat. 2026, 212, 109873）；
原文链接地址：
https://doi.org/10.1002/advs.74911
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