蘇州大學嚴鋒教授AM：新型高模量高阻尼離子聚合物問世

在傳統聚合物材料中，高模量與高阻尼性能往往難以兼得，制約了其在沖擊防護與振動控制領域的應用。現有材料大多依賴氫鍵等弱相互作用，難以在寬頻、寬溫范圍內實現高效能量耗散。如何設計出一種兼具優異力學強度與突出阻尼性能的材料，成為材料科學領域的一項長期挑戰。

近日，蘇州大學嚴鋒教授、李維政博士通過一種名為“內聚纏結”的創新策略，成功開發出同時具備高模量和高阻尼性能的兩性離子聚合物。該材料利用側鏈離子相互作用主導的內聚纏結網絡，實現了對模量和阻尼性能的精準調控。通過引入小分子離子液體作為抗衡離子，可有效調節聚合物鏈間的離子鍵合強度與動力學行為，使材料在承受沖擊時能通過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獲得卓越的阻尼能力。相關論文以“High-Modulus and High-Damping Ionic Polymers Enabled by Cohesive Entanglement”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊通過密度泛函理論計算證實，聚合物鏈間單個離子鍵的相互作用能高達-266.93 kJ mol?1，奠定了材料高強度的基礎。為了克服強離子鍵可能導致脆性的問題，他們引入小分子離子液體精確調控內聚纏結。流變學主曲線表明，隨著小分子離子含量增加，AIPs的玻璃化轉變耗散區域逐漸向高頻移動并拓寬，黏彈性行為在更寬頻域內變得顯著，更有利于能量消散。其中，AIP?和AIP?在較寬溫度和頻率范圍內阻尼系數均超過0.5，表現出優異的頻溫無關阻尼性能。抗陰離子尺寸效應的研究發現，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的結構設計與能量耗散機制示意圖 a) AIP涂層沖擊能量耗散示意圖。AIP涂層可耗散鐵球的動能以保護玻璃。 b) AIP的拓撲纏結與離子相互作用。 c) AIP的內聚纏結。密度泛函理論計算表明，一對相反電荷之間形成的單個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、復合與恢復過程示意圖。

通過低場核磁共振分析聚合物鏈段動力學，發現離子聚合物的剛性鏈段比例隨抗衡離子增加而降低，鏈段活動性增強。結合介電譜分析，進一步揭示了離子聚集與解耦的動態過程，印證了離子-偶極相互作用驅動的內聚纏結結構。在力學性能方面，AIP?、AIP?和AIP?即使在95%壓縮應變下仍保持完整，AIP?的壓縮強度最高達2.2 GPa。高速沖擊測試顯示，AIP?的沖擊韌性隨應變率提升顯著增強，最高可達20.80 MJ m?3，體現出優異的應變率硬化效應與能量耗散能力。

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

圖3 力學性能表征 a) AIP?、AIP?、AIP?、AIP?和AIP?的壓縮應力-應變曲線（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）下的循環壓縮應力-應變曲線。 c) AIP?在不同壓縮速率下的韌性和楊氏模量。 d) AIP與已報道的代表性堅韌離子凝膠和水凝膠的壓縮應力與應變比較。 e) 不同應變率（1200、1500、1800、2300和2700 s?1）下的分離式霍普金森壓桿測試，對應的沖擊壓力分別為0.01、0.02、0.05、0.08和0.10 MPa。 f) AIP?、AIP?、AIP?、AIP?和AIP?在應變率2300 s?1下，以及AIP?在應變率1200、1500、1800、2300和2700 s?1下的沖擊韌性。

為驗證實際防護效果，研究團隊制備了AIP?涂層并開展系列評估。在振動控制測試中，僅200 μm厚的AIP?薄膜即可將傳遞力從8 N降至4 N，表現優于傳統PDMS材料。落球沖擊實驗表明，涂覆AIP?的手機屏幕在鋼球從1米高處墜落撞擊后仍保持完好，而未經保護的屏幕則完全碎裂。壓力傳感分析進一步證實，AIP?能有效分散沖擊應力，降低應力集中度，消散效率高達60%。

圖4 AIP沖擊防護性能展示 a) AIP?（厚度：200與500 μm）和PDMS（厚度：500 μm）的振動控制曲線。 b) 未保護手機屏幕（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）的手機屏幕的抗沖擊性能對比，實心鋼球從1米高度自由落體施加沖擊能量。 c) 機械傳感器檢測落球沖擊的力-時間曲線。 d) 不同涂層下玻璃能承受的最大沖擊動能。 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、高阻尼和光學透明特性的離子聚合物涂層，為脆性材料的沖擊防護與結構減振提供了創新解決方案。通過抗衡離子的種類與含量調控，可實現材料剛柔成分的精確平衡，拓寬了其在不同溫度與頻率環境下的應用潛力。這項工作為設計新一代高性能聚合物材料提供了通用策略，在電子設備保護、柔性防護涂層及振動控制系統等領域具有廣闊的應用前景。