振動與沖擊引發(fā)的機(jī)械損傷不僅會縮短設(shè)備壽命、產(chǎn)生噪音，甚至可能危害人體健康。傳統(tǒng)阻尼材料主要依賴玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）附近的粘彈性能，在低溫環(huán)境中阻尼性能驟降，難以滿足復(fù)雜應(yīng)用需求。雖然低Tg聚合物可適應(yīng)低溫環(huán)境，但在常溫下往往力學(xué)性能較弱，難以提供足夠的結(jié)構(gòu)支撐。面對瞬時沖擊場景，材料需具備較高模量以有效抑制形變并防止結(jié)構(gòu)失效，然而常規(guī)提升模量的方法通常會犧牲阻尼性能。此外，傳統(tǒng)的復(fù)合增強(qiáng)或各向異性結(jié)構(gòu)設(shè)計雖可在一定程度上改善性能，但制備復(fù)雜、集成度低，且熱穩(wěn)定性有限。因此，如何開發(fā)在寬溫域內(nèi)同時具備優(yōu)異阻尼性能與高機(jī)械強(qiáng)度的高性能材料，仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的研究課題。
近日，香港中文大學(xué)（深圳）張祺副教授課題組成功研發(fā)出一種具備超寬溫域適應(yīng)性、高阻尼性能與突出機(jī)械強(qiáng)度的創(chuàng)新材料——裝甲聚合物流體凝膠（Armored Polymer-fluid Gels，APFGs）。該成果為長期困擾電子設(shè)備、工業(yè)減震與人體運(yùn)動防護(hù)等領(lǐng)域的阻尼與力學(xué)性能難以兼顧的問題提供了全新的解決思路與材料方案。
材料設(shè)計
傳統(tǒng)聚合物材料在應(yīng)對振動與沖擊時長期面臨阻尼溫域窄和“高阻尼必然伴隨低強(qiáng)度”的困境，限制了其在極端溫度下的應(yīng)用（圖1A）。研究團(tuán)隊(duì)通過梯度結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新提出“裝甲-核芯”非對稱結(jié)構(gòu)（圖1）。該材料以柔性聚合物流體凝膠（PFG）為核芯，采用丙烯酸（AA）與甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）在聚乙二醇（PEG）中形成的三維網(wǎng)絡(luò)，其中PEG通過與聚合物鏈的氫鍵作用，既塑化網(wǎng)絡(luò)保持低溫鏈段運(yùn)動能力，又通過高溫下的流體蛇行運(yùn)動（reptation），以達(dá)到超寬溫域的阻尼效果（圖1B）。表面裝甲層則通過Fe3?離子滲透與羧基的配位交聯(lián)，形成梯度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（圖1C）。APFGs首次實(shí)現(xiàn)從-45°C到135°C極端溫域內(nèi)損耗因子（tanδ）始終高于0.5，同時拉伸模量提升至20MPa的顛覆性性能，在適用溫域-模量圖譜中開辟出全新性能區(qū)間（圖1D）。
圖1. APFG材料分子與結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能。
微觀奧秘
研究團(tuán)隊(duì)通過宏觀和SEM，紅外光譜學(xué)，XPS等多種表征方法證實(shí)了Fe3+離子擴(kuò)散和與羧基的配位交聯(lián)機(jī)制（圖2A-C）。納米壓痕測試顯示（圖2D），表面160微米厚的裝甲層硬度達(dá)119.7MPa，向內(nèi)深入則硬度梯度遞減，最終與核芯的0.9MPa柔性區(qū)銜接。這種“外剛內(nèi)柔”的梯度設(shè)計，有效提高了材料的拉伸模量、抗穿刺、耐撕裂的機(jī)械性能（圖2E, H，J-K）。重要的是，此設(shè)計也保留了柔軟核芯的寬溫域耗能特性，以此實(shí)現(xiàn)雙優(yōu)性能（圖2F-G）。制備工藝方面，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出可規(guī)模化推廣的“一步浸泡法”：通過調(diào)節(jié)Fe3+溶液濃度（0.5-2 mol/L）和浸泡時間（5分鐘至24小時），可精確控制裝甲層厚度。該工藝兼容 3D 打印與注塑等成型技術(shù)，能夠高效制備復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的阻尼器件。
圖2. APFG結(jié)構(gòu)與表征及力學(xué)性能測試。
性能驗(yàn)證
通過動態(tài)力學(xué)測試和時溫等效（TTS）分析，結(jié)果顯示材料在10-4-107Hz頻率下，-45-135°C溫度區(qū)間中保持著高阻尼效果（tanδ>0.5），同時聚合物PEG對鏈段運(yùn)動的調(diào)節(jié)效果賦予了材料較低的松弛活化能（圖3A-C）。循環(huán)壓縮測試表明（圖3D-E），材料在大形變下的能量耗散效果極佳，在80%應(yīng)變下的能量耗散密度達(dá)272.7kJ/m3。此外，材料在寬溫域下依然保持極高的能量耗散比，在-40-80°C下能量耗散均在80%以上，在零下40°C的低溫環(huán)境中，APFGs展現(xiàn)出驚人的能量吸收能力（圖3G-H）。較傳統(tǒng)阻尼耗散材料，APFG在寬溫域下的耗散效果有顯著優(yōu)勢（圖3F,I）。
圖3. APFG材料阻尼與能量耗散性能在寬溫域下的表現(xiàn)。
應(yīng)用展示
不同溫度下的下落-回彈效果研究顯示，在-20，20，60°C下材料回彈率均低于10%，最低回彈率僅1.25%，遠(yuǎn)超PDMS材料（圖4A-C）。振動實(shí)驗(yàn)顯示（圖4D），裝有APFGs阻尼層的振動源在-20°C環(huán)境下可將50Hz振動幅值衰減71%。在APFG的阻尼效果下，沙粒在振動平臺上可有效保持穩(wěn)定（圖4E）。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過電路板保護(hù)和阻尼鞋墊應(yīng)用展示了APFGs的性能。在電子防護(hù)領(lǐng)域（圖5A-C），采用APFG封裝保護(hù)的電路板經(jīng)受50Hz持續(xù)振動20小時后仍保持功能完好，而未防護(hù)設(shè)備在7小時內(nèi)即出現(xiàn)損壞；受保護(hù)的電路板可有效阻擋外部沖擊，相較于無裝甲狀態(tài)下明顯提升了保護(hù)效果（圖5D-E）。
模擬外源振動下的運(yùn)動傳感測試中，材料可用作阻尼鞋墊，可使運(yùn)動傳感器的信噪比從2.5提升至5.7（圖5F-H），為運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)在顛簸路況下的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。在模擬人體關(guān)節(jié)沖擊的實(shí)驗(yàn)中（圖5I-K），APFG鞋墊在-18°C低溫下使跑步?jīng)_擊力峰值降低40%，跳躍沖擊峰值衰減達(dá)到33%，突破現(xiàn)有運(yùn)動護(hù)具的低溫失效瓶頸。
圖4. APFG材料回彈測試表現(xiàn)與振動耗散性能。
圖5. APFG材料用于電子器件保護(hù)與人體運(yùn)動的保護(hù)和傳感。
該研究成果以“Armored Polymer-fluid Gels with Integrated Damping and Impact Protection Across Broad Temperatures”為題發(fā)表于Science Advances期刊，該論文的第一作者為香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院博士生陳國慶，通訊作者為香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院張祺副教授和訪問學(xué)者王鎮(zhèn)武博士（現(xiàn)為哈佛醫(yī)學(xué)院博士后）。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv5292
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