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一周研发资讯汇总（20260914-20260920）

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摘要：研究团队利用“粘弹性相分离”这一物理现象，只需涂布溶液并干燥，即形成具有纳米至微米级孔隙的网状“多孔锚固层（PPA：Printable Porous Anchor）”，如此制作出的复合结构体在垂直拉伸试验中，测得接合强度超过7 MPa，这一数值约为不含多孔层或采用平整涂膜时的两倍。

关键词：异种材料接合、粘弹性相分离、多孔锚固层（PPA）、拉伸断裂强度、多材料化

待解决课题

在汽车轻量化、柔性电子设备、软体机器人等制造领域，将金属、玻璃、陶瓷等“硬质材料”与橡胶、塑料等“软性高分子”进行组合的多材料化正迅速变得越来越重要。

然而，由于性质不同的材料之间难以接合，过去需要针对每种材料组合分别设计和开发相适应的粘接剂（图1左下）。此外，虽然已知可利用机械加工或化学药品等处理基材表面，通过形成凹凸结构可提高接合强度，但是这种方法会增加制造工序的复杂性，并产生加工残渣，在能源消耗和环境负担方面存在课题。

研究要点

此次，研究团队提出了一种通过在粘接层引入“结构”来连接异种材料的新方法。利用“粘弹性相分离”这一物理现象，只需涂布溶液并干燥，即可形成具有纳米至微米级孔隙的网状“多孔锚固层（PPA：Printable Porous Anchor）”（图1左）。

在使用与玻璃接合困难的软性高分子的实验中，实现了超过7MPa（兆帕）的接合强度（图1右）。PPA通过“功能分工设计”实现了牢固接合，一方面与玻璃依靠化学亲和性结合，另一方面则使高分子材料嵌入细小孔隙中形成物理咬合。

图1：本研究的概要及其效果：（左）与以往接合技术的对比。PPA与一侧基材依靠化学亲和性相接，即使与另一侧的材料相容性差，也能通过锚定效应实现接合；（右）引入PPA的效果。在材料间插入具有结构的层后，垂直拉伸强度提升约2倍。

研究背景

近年来，正在寻求通过汽车等运输设备的轻量化来提升燃油效率。此外，利用柔性电子设备和软性材料的下一代机器人（软体机器人）的研发也正在积极推进。在这些领域中，将金属、玻璃、陶瓷等硬性无机材料与橡胶、塑料等柔性高分子材料融合的“多材料化”正迅速变得越来越重要。然而，由于这些异种材料各自的物理和化学性质（如硬度、热膨胀率等）差异较大，因此应力集中在“接合界面”，容易导致开裂，存在耐久性课题。

在接合这些材料时，使用螺钉、螺栓或焊接进行局部固定是一种可靠且有效的方法，但存在应力集中在某一点、增加重量以及不适用于薄基材等问题。与之相比，粘接方式能够在整个接触面贴合材料，具有分散载重的优势。然而，在多数情况下，需要针对每一对粘接材料（被附着体）设计出相匹配的粘接剂，开发难度增大。而另一种被称为机械互锁技术（锚定效应）的方法，通过激光器、机械加工或化学蚀刻在基板表面制造出凹凸结构，使高分子被附着体嵌入其中，虽然已被认为是多材料化的一种有效手段，但是需要大型设备和复杂工序来完成表面加工和清洗，较高的能耗以及排放清洗液和蚀刻液等环境负担成为重大的课题。

研究内容与成果

此次，本研究团队想出，可通过在附着层上引入“结构”来解决上述难题。具体而言，将一侧被附着体依靠化学亲和性牢固结合，另一侧引入可发挥锚定效应的结构。这样一来，就不必适配两侧的被附着体，从而使得附着层的选择变得容易。此外，若能仅通过涂布和干燥这样简单的工序就能制造出此类结构体，也不会产生残渣，可以省去清洗。

为实现这一目标，研究团队着眼于一种名为“粘弹性相分离”的流体现象。相分离是指类似沙拉酱中水与油分离的现象，通常体积分数较低的一相（少数相）会在体积分数较高的母相中形成球状液滴；而当体系中含有高分子等固体成分时，流动较快的液体在相分离过程中会率先聚集，从而留下高分子的网状结构（图2）。这种因运动性差异导致的相分离被称为粘弹性相分离，其特点是即使是少数相，也能形成连续的网络结构。此外，在相分离过程中，力学性较弱的部分会被优先淘汰，保留力学性强的部分，由此自下而上地生成具有优异耐久性的多孔结构。如果能通过调节干燥速度，使相分离在适当的时机停止，还可以控制作为吸附立脚点的孔径的大小。

图2：基于粘弹性相分离的PPA（多孔膜）形成机制。使用挥发性较高的溶剂I与挥发性相对较低的溶剂II混合而成的溶剂。涂布后，溶剂I迅速挥发，高分子在残留的溶剂II中形成网络结构。此时，通过调节溶剂II的挥发速度，可控制该网络结构固化的时间点，由此可实现对孔径的调控。

为验证PPA的构想，本研究选择了一种与玻璃基材相容性良好的极性高分子，并通过优化溶剂的种类和组成，控制了相分离网络固化的时间点。由此获得了孔径在纳米至微米尺度范围内系统性变化的涂布膜（多孔膜）（图3）。由于这种多孔膜仅利用了溶剂挥发和相分离现象，因此可通过多种涂布方法制作，并且可在6英寸（直径15厘米）的大面积基板上制膜。

将待附着材料通过溶液涂布或热压合方式嵌入上述的多孔膜中，即可得到复合体。这里选用的被附着体是与玻璃和极性高分子不太相容的苯乙烯-丁二烯系热塑性弹性体。这类聚合物极性较低，作为聚丙烯、聚乙烯等难接合系材料的相容剂或接合改性剂得到广泛使用。实际进行复合化之后，由于光的散射多孔膜表面呈现浑浊，但当嵌入被附着体后，孔洞被填充，变成透明的样子（图3）。如此制作出的复合结构体在垂直拉伸试验中，测得接合强度超过7 MPa。这一数值约为不含多孔层或采用平整涂膜时的两倍。

图3：实际的多孔膜及复合体的外观。此处采用旋涂法将溶液涂布后形成多孔膜。从薄膜的原子力显微镜图像可见，可以将孔径控制在亚微米至数微米尺度。由于存在微米级孔隙导致光发生散射，基材表面呈白色浑浊状；但当嵌入折射率相近的不同聚合物后，外观转变为透明状态。

关于为何能获得如此高耐久性的原因，利用计算机模拟进行了调查。当两种材料在平坦面上贴合时，只需轻微拉伸，其界面就会产生应变，容易导致断裂（图4(a)）。另一方面，在相互嵌入的PPA型结构中，由于沿界面的断裂本身难以发生，因此龟裂会随着各材料的部分断裂而拓展。这种界面附近的力学耐久性，在将柔韧且坚韧的材料牢固地嵌入小孔径区域时实现了最优化。在实验中系统性地改变孔径，确认了这种力学优化的可能性。这种提高耐久性的机制，也与珍珠层等自然界中存在的高耐久材料相关，表明在提升复合材料耐久性方面，粘接层的结构化及力学设计至关重要。

图4：模型计算及PPA提高耐久性的机制。(a) 平坦界面的情况：轻微的变形即可导致沿界面发生断裂；(b) PPA界面的情况：沿界面的断裂不易发生，破坏表现为材料局部撕裂，因此即使发生较大变形也不易断裂。

未来展望

本研究提出的PPA接合方法摆脱了以往需开发适配两侧材料的通用方法，有望成为适用于多种材料接合的平台。目前，为进一步拓展其通用性，研究团队正在开发具备导电性的PPA以确保接合部位的散热性和电气连接，以及采用耐高温材料的多孔锚固层以应对严酷的环境。

该技术不仅有望满足工业界多种多样的接合需求，在未来多材料化不可或缺的下一代移动出行、可穿戴设备及软体机器人领域的制造工艺中，作为扩大设计自由度的技术将发挥作用。

https://www.nims.go.jp/press/2026/09/fnac7l000000cu8j-att/202609100.pdf

https://doi.org/10.1002/smll.75296

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一种仅需涂抹并干燥即可牢固连接异种材料的“多孔锚固结构”