苏州大学严锋教授AM:新型高模量高阻尼离子聚合物问世

在传统聚合物材料中，高模量与高阻尼性能往往难以兼得，制约了其在冲击防护与振动控制领域的应用。现有材料大多依赖氢键等弱相互作用，难以在宽频、宽温范围内实现高效能量耗散。如何设计出一种兼具优异力学强度与突出阻尼性能的材料，成为材料科学领域的一项长期挑战。

近日，苏州大学严锋教授、李维政博士通过一种名为“内聚缠结”的创新策略，成功开发出同时具备高模量和高阻尼性能的两性离子聚合物。该材料利用侧链离子相互作用主导的内聚缠结网络，实现了对模量和阻尼性能的精准调控。通过引入小分子离子液体作为抗衡离子，可有效调节聚合物链间的离子键合强度与动力学行为，使材料在承受冲击时能通过离子键的可逆解离与重组高效耗散能量，从而在保持高刚度的同时获得卓越的阻尼能力。相关论文以“High-Modulus and High-Damping Ionic Polymers Enabled by Cohesive Entanglement”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队通过密度泛函理论计算证实，聚合物链间单个离子键的相互作用能高达-266.93 kJ mol⁻¹，奠定了材料高强度的基础。为了克服强离子键可能导致脆性的问题，他们引入小分子离子液体精确调控内聚缠结。流变学主曲线表明，随着小分子离子含量增加，AIPs的玻璃化转变耗散区域逐渐向高频移动并拓宽，黏弹性行为在更宽频域内变得显著，更有利于能量消散。其中，AIP₃和AIP₄在较宽温度和频率范围内阻尼系数均超过0.5，表现出优异的频温无关阻尼性能。抗阴离子尺寸效应的研究发现，较小尺寸的Br⁻能更有效地参与离子键重组，使AIP₃-Br获得更高的阻尼峰值。

图1 高模量高阻尼AIP的结构设计与能量耗散机制示意图 a) AIP涂层冲击能量耗散示意图。AIP涂层可耗散铁球的动能以保护玻璃。 b) AIP的拓扑缠结与离子相互作用。 c) AIP的内聚缠结。密度泛函理论计算表明，一对相反电荷之间形成的单个离子键的相互作用能为-266.93 kJ mol⁻¹。 d) 冲击后AIP中离子键的解离、复合与恢复过程示意图。 

通过低场核磁共振分析聚合物链段动力学，发现离子聚合物的刚性链段比例随抗衡离子增加而降低，链段活动性增强。结合介电谱分析，进一步揭示了离子聚集与解耦的动态过程，印证了离子-偶极相互作用驱动的内聚缠结结构。在力学性能方面，AIP₂、AIP₃和AIP₄即使在95%压缩应变下仍保持完整，AIP₂的压缩强度最高达2.2 GPa。高速冲击测试显示，AIP₄的冲击韧性随应变率提升显著增强，最高可达20.80 MJ m⁻³，体现出优异的应变率硬化效应与能量耗散能力。

图2 聚合物链段动力学的表征 a) 基于时温叠加原理（TTS）将AIP流变数据移至参考温度20°C后的主曲线。 b) AIP的阻尼系数。 c) AIP的移位因子。 d) 通过阿伦尼乌斯方程拟合得到的AIP活化能。 e) 通过低场核磁共振获得的AIP₀、PAAc和PDEA的自由感应衰减曲线。 f) 由FID曲线得到的各聚合物链段的弛豫时间。 g) AIP₀、PAAc和PDEA中刚性、中间和柔性链段的比例。 

图3 力学性能表征 a) AIP₀、AIP₁、AIP₂、AIP₃和AIP₄的压缩应力-应变曲线（压缩速率：10 mm min⁻¹）。 b) AIP₄在不同压缩速率（0.2、1、5和25 mm min⁻¹）下的循环压缩应力-应变曲线。 c) AIP₄在不同压缩速率下的韧性和杨氏模量。 d) AIP与已报道的代表性坚韧离子凝胶和水凝胶的压缩应力与应变比较。 e) 不同应变率（1200、1500、1800、2300和2700 s⁻¹）下的分离式霍普金森压杆测试，对应的冲击压力分别为0.01、0.02、0.05、0.08和0.10 MPa。 f) AIP₀、AIP₁、AIP₂、AIP₃和AIP₄在应变率2300 s⁻¹下，以及AIP₄在应变率1200、1500、1800、2300和2700 s⁻¹下的冲击韧性。 

为验证实际防护效果，研究团队制备了AIP₄涂层并开展系列评估。在振动控制测试中，仅200 μm厚的AIP₄薄膜即可将传递力从8 N降至4 N，表现优于传统PDMS材料。落球冲击实验表明，涂覆AIP₄的手机屏幕在钢球从1米高处坠落撞击后仍保持完好，而未经保护的屏幕则完全碎裂。压力传感分析进一步证实，AIP₄能有效分散冲击应力，降低应力集中度，消散效率高达60%。

图4 AIP冲击防护性能展示 a) AIP₄（厚度：200与500 μm）和PDMS（厚度：500 μm）的振动控制曲线。 b) 未保护手机屏幕（65 g铁球从1米高度跌落）、商用钢化玻璃屏保以及涂覆AIP₄（200 μm）的手机屏幕的抗冲击性能对比，实心钢球从1米高度自由落体施加冲击能量。 c) 机械传感器检测落球冲击的力-时间曲线。 d) 不同涂层下玻璃能承受的最大冲击动能。 e) 使用压敏纸直观显示不同涂层下的冲击力分布。 f) 不同涂层下压敏纸纵向冲击力比值。

该研究成功制备出兼具高模量、高阻尼和光学透明特性的离子聚合物涂层，为脆性材料的冲击防护与结构减振提供了创新解决方案。通过抗衡离子的种类与含量调控，可实现材料刚柔成分的精确平衡，拓宽了其在不同温度与频率环境下的应用潜力。这项工作为设计新一代高性能聚合物材料提供了通用策略，在电子设备保护、柔性防护涂层及振动控制系统等领域具有广阔的应用前景。