在傳統(tǒng)聚合物材料中，高模量與高阻尼性能往往難以兼得，制約了其在沖擊防護(hù)與振動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用�，F(xiàn)有材料大多依賴氫鍵等弱相互作用，難以在寬頻、寬溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效能量耗散。如何設(shè)計(jì)出一種兼具優(yōu)異力學(xué)強(qiáng)度與突出阻尼性能的材料，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

近日，蘇州大學(xué)嚴(yán)鋒教授、李維政博士通過(guò)一種名為“內(nèi)聚纏結(jié)”的創(chuàng)新策略，成功開發(fā)出同時(shí)具備高模量和高阻尼性能的兩性離子聚合物。該材料利用側(cè)鏈離子相互作用主導(dǎo)的內(nèi)聚纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模量和阻尼性能的精準(zhǔn)調(diào)控。通過(guò)引入小分子離子液體作為抗衡離子，可有效調(diào)節(jié)聚合物鏈間的離子鍵合強(qiáng)度與動(dòng)力學(xué)行為，使材料在承受沖擊時(shí)能通過(guò)離子鍵的可逆解離與重組高效耗散能量，從而在保持高剛度的同時(shí)獲得卓越的阻尼能力。相關(guān)論文以“High-Modulus and High-Damping Ionic Polymers Enabled by Cohesive Entanglement”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)密度泛函理論計(jì)算證實(shí)，聚合物鏈間單個(gè)離子鍵的相互作用能高達(dá)-266.93 kJ mol?1，奠定了材料高強(qiáng)度的基礎(chǔ)。為了克服強(qiáng)離子鍵可能導(dǎo)致脆性的問(wèn)題，他們引入小分子離子液體精確調(diào)控內(nèi)聚纏結(jié)。流變學(xué)主曲線表明，隨著小分子離子含量增加，AIPs的玻璃化轉(zhuǎn)變耗散區(qū)域逐漸向高頻移動(dòng)并拓寬，黏彈性行為在更寬頻域內(nèi)變得顯著，更有利于能量消散。其中，AIP?和AIP?在較寬溫度和頻率范圍內(nèi)阻尼系數(shù)均超過(guò)0.5，表現(xiàn)出優(yōu)異的頻溫?zé)o關(guān)阻尼性能�？龟庪x子尺寸效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，較小尺寸的Br?能更有效地參與離子鍵重組，使AIP?-Br獲得更高的阻尼峰值。

圖1 高模量高阻尼AIP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與能量耗散機(jī)制示意圖 a) AIP涂層沖擊能量耗散示意圖。AIP涂層可耗散鐵球的動(dòng)能以保護(hù)玻璃。 b) AIP的拓?fù)淅p結(jié)與離子相互作用。 c) AIP的內(nèi)聚纏結(jié)。密度泛函理論計(jì)算表明，一對(duì)相反電荷之間形成的單個(gè)離子鍵的相互作用能為-266.93 kJ mol?1。 d) 沖擊后AIP中離子鍵的解離、復(fù)合與恢復(fù)過(guò)程示意圖。

通過(guò)低場(chǎng)核磁共振分析聚合物鏈段動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)離子聚合物的剛性鏈段比例隨抗衡離子增加而降低，鏈段活動(dòng)性增強(qiáng)。結(jié)合介電譜分析，進(jìn)一步揭示了離子聚集與解耦的動(dòng)態(tài)過(guò)程，印證了離子-偶極相互作用驅(qū)動(dòng)的內(nèi)聚纏結(jié)結(jié)構(gòu)。在力學(xué)性能方面，AIP?、AIP?和AIP?即使在95%壓縮應(yīng)變下仍保持完整，AIP?的壓縮強(qiáng)度最高達(dá)2.2 GPa。高速?zèng)_擊測(cè)試顯示，AIP?的沖擊韌性隨應(yīng)變率提升顯著增強(qiáng)，最高可達(dá)20.80 MJ m?3，體現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變率硬化效應(yīng)與能量耗散能力。

圖2 聚合物鏈段動(dòng)力學(xué)的表征 a) 基于時(shí)溫疊加原理（TTS）將AIP流變數(shù)據(jù)移至參考溫度20°C后的主曲線。 b) AIP的阻尼系數(shù)。 c) AIP的移位因子。 d) 通過(guò)阿倫尼烏斯方程擬合得到的AIP活化能。 e) 通過(guò)低場(chǎng)核磁共振獲得的AIP?、PAAc和PDEA的自由感應(yīng)衰減曲線。 f) 由FID曲線得到的各聚合物鏈段的弛豫時(shí)間。 g) AIP?、PAAc和PDEA中剛性、中間和柔性鏈段的比例。

圖3 力學(xué)性能表征 a) AIP?、AIP?、AIP?、AIP?和AIP?的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線（壓縮速率：10 mm min?1）。 b) AIP?在不同壓縮速率（0.2、1、5和25 mm min?1）下的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 c) AIP?在不同壓縮速率下的韌性和楊氏模量。 d) AIP與已報(bào)道的代表性堅(jiān)韌離子凝膠和水凝膠的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變比較。 e) 不同應(yīng)變率（1200、1500、1800、2300和2700 s?1）下的分離式霍普金森壓桿測(cè)試，對(duì)應(yīng)的沖擊壓力分別為0.01、0.02、0.05、0.08和0.10 MPa。 f) AIP?、AIP?、AIP?、AIP?和AIP?在應(yīng)變率2300 s?1下，以及AIP?在應(yīng)變率1200、1500、1800、2300和2700 s?1下的沖擊韌性。

為驗(yàn)證實(shí)際防護(hù)效果，研究團(tuán)隊(duì)制備了AIP?涂層并開展系列評(píng)估。在振動(dòng)控制測(cè)試中，僅200 μm厚的AIP?薄膜即可將傳遞力從8 N降至4 N，表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)PDMS材料。落球沖擊實(shí)驗(yàn)表明，涂覆AIP?的手機(jī)屏幕在鋼球從1米高處墜落撞擊后仍保持完好，而未經(jīng)保護(hù)的屏幕則完全碎裂。壓力傳感分析進(jìn)一步證實(shí)，AIP?能有效分散沖擊應(yīng)力，降低應(yīng)力集中度，消散效率高達(dá)60%。

圖4 AIP沖擊防護(hù)性能展示 a) AIP?（厚度：200與500 μm）和PDMS（厚度：500 μm）的振動(dòng)控制曲線。 b) 未保護(hù)手機(jī)屏幕（65 g鐵球從1米高度跌落）、商用鋼化玻璃屏保以及涂覆AIP?（200 μm）的手機(jī)屏幕的抗沖擊性能對(duì)比，實(shí)心鋼球從1米高度自由落體施加沖擊能量。 c) 機(jī)械傳感器檢測(cè)落球沖擊的力-時(shí)間曲線。 d) 不同涂層下玻璃能承受的最大沖擊動(dòng)能。 e) 使用壓敏紙直觀顯示不同涂層下的沖擊力分布。 f) 不同涂層下壓敏紙縱向沖擊力比值。

該研究成功制備出兼具高模量、高阻尼和光學(xué)透明特性的離子聚合物涂層，為脆性材料的沖擊防護(hù)與結(jié)構(gòu)減振提供了創(chuàng)新解決方案。通過(guò)抗衡離子的種類與含量調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)材料剛?cè)岢煞值木_平衡，拓寬了其在不同溫度與頻率環(huán)境下的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)新一代高性能聚合物材料提供了通用策略，在電子設(shè)備保護(hù)、柔性防護(hù)涂層及振動(dòng)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。