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  彈性體的模量與強度往往相互制約，這成為其多場景應(yīng)用的重要障礙。本研究中，提出一種簡單的聚氨酯體系硬段分子設(shè)計策略，通過脂肪族鏈與環(huán)結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控，改變硬段堆積強度，成功制備出楊氏模量可在3-100 MPa 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的高強度（拉伸強度始終高于50MPa）彈性體。最優(yōu)樣品 H/IP-3.0 兼具低模量（~25 MPa）、高拉伸強度（~76 MPa）和卓越韌性（~360 MJ/m3）的特征。1cm厚的樣品在鈍擊下可實現(xiàn)~80%峰值應(yīng)力衰減，1cm厚度可實現(xiàn)沖擊波超壓峰值衰減~69%，綜合性能遠超各種商用彈性體。這種模量-強度解耦的設(shè)計思路，為柔性防護材料的研發(fā)開辟了新路徑。

  2025年11月20日，該研究以"Modulus-Strength Decoupled High-Toughness Elastomer for Impact Protection" 為題，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者是沈陽化工大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的碩士畢業(yè)生王忠婷和清華大學(xué)航院博士畢業(yè)生王興皓，通訊作者是清華大學(xué)化工系徐軍副教授、博士后史家昕和清華大學(xué)航院柳占立教授。

  傳統(tǒng)商用彈性體普遍存在力學(xué)強度不足的問題，而典型的增強策略大多會導(dǎo)致模量同步升高，陷入"強則硬、柔則弱" 的兩難困境，限制了彈性體在高性能防護等場景的應(yīng)用。近日，清華大學(xué)化工系徐軍副教授/史家昕博士后與航院柳占立教授團隊合作，基于聚氨酯體系提出了通過調(diào)控硬段中脂肪族鏈與環(huán)狀結(jié)構(gòu)的比例，實現(xiàn)模量與強度的有效解耦的新方法。

  研究選用六亞甲基二異氰酸酯（HDI）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）或三甲基己二異氰酸酯（TMHDI）等三種二異氰酸酯，與對應(yīng)的二胺擴鏈劑：三甲基己二胺（TMHDA）、異佛爾酮二胺（IPDA）或二環(huán)己基甲烷二胺（HMDA）組合，構(gòu)建了五種不同硬段結(jié)構(gòu)的聚氨酯系列（H/TM、TM/TM、H/IP、IP/IP、IP/HM），并通過調(diào)節(jié)擴鏈劑與聚四氫呋喃軟段的摩爾比，制備了30種不同配方的樣品。

圖1. 彈性體的結(jié)構(gòu)調(diào)控與模量-強度解耦

  硬段的結(jié)構(gòu)匹配可有效調(diào)控硬段堆積。力學(xué)性能最優(yōu)的H/IP系列中，脂肪鏈的柔性保證了氫鍵基團的有效對齊，環(huán)狀結(jié)構(gòu)則適度提升剛性，二者協(xié)同實現(xiàn)了 "強氫鍵作用 + 低空間位阻 + 適度微相分離" 的理想結(jié)構(gòu)。密度泛函理論模擬與小角 X 射線散射分析證實，這種結(jié)構(gòu)既避免了硬段占比過高或過度侵入軟相導(dǎo)致的模量飆升，又能在大應(yīng)變下通過硬段取向自增強實現(xiàn)應(yīng)變硬化，從而打破了模量與強度的耦合關(guān)系。最優(yōu)樣品 H/IP-3.0 的基礎(chǔ)性能令人矚目：拉伸強度達 76 MPa，是傳統(tǒng)彈性體的 2-3 倍；斷裂能高達 515 kJ/m2；穿刺能達到1798 mJ/mm。更重要的是，其在寬應(yīng)變率范圍內(nèi)（從準靜態(tài)拉壓到高速霍普金森壓桿實驗）始終保持低模量與高強度的平衡，為沖擊防護應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖2. H/IP-3.0優(yōu)異的基礎(chǔ)力學(xué)性能

  H/IP-3.0 展現(xiàn)出非凡的防護潛力。在鈍擊防護中，基于粘-超彈本構(gòu)力學(xué)模型分析了其通過優(yōu)化的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線實現(xiàn)優(yōu)異防護性能的機制，而非直觀上理解的能量滯后耗散或阻尼。其在 45 J 沖擊能量下，峰值應(yīng)力衰減率達~80%，且經(jīng)過 4 次連續(xù)高能量沖擊后，防護性能仍保持穩(wěn)定。在沖擊波防護中，首先基于力學(xué)理論和有限元模擬分析，證明了在遠場爆炸波下的防護機制主要源于寬溫/寬頻模量相關(guān)的阻抗失配，粘性耗散效應(yīng)作用有限。利用H/IP-3.0與人體組織的阻抗失配效應(yīng)，實現(xiàn)了 69% 的沖擊波超壓峰值衰減，顯著優(yōu)于各種對比商用彈性體材料。 值得注意的是，該材料的防護力學(xué)機制研究突破了傳統(tǒng)的“高阻尼則優(yōu)”的認知，尤其是在鈍擊和遠場沖擊波的條件下。

圖3. 鈍擊防護效果與力學(xué)本構(gòu)分析

圖4. 沖擊波防護效果與力學(xué)機制研究

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202526753