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  振動與沖擊引發(fā)的機械損傷不僅會縮短設備壽命、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變溫度（T_g）附近的粘彈性能，在低溫環(huán)境中阻尼性能驟降，難以滿足復雜應用需求。雖然低T_g聚合物可適應低溫環(huán)境，但在常溫下往往力學性能較弱，難以提供足夠的結構支撐。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構失效，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)的復合增強或各向異性結構設計雖可在一定程度上改善性能，但制備復雜、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)異阻尼性能與高機械強度的高性能材料，仍是一項極具挑戰(zhàn)性的研究課題。

  近日，香港中文大學（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性、高阻尼性能與突出機械強度的創(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備、工業(yè)減震與人體運動防護等領域的阻尼與力學性能難以兼顧的問題提供了全新的解決思路與材料方案。

材料設計

  傳統(tǒng)聚合物材料在應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度”的困境，限制了其在極端溫度下的應用（圖1A）。研究團隊通過梯度結構，創(chuàng)新提出“裝甲-核芯”非對稱結構（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，其中PEG通過與聚合物鏈的氫鍵作用，既塑化網(wǎng)絡保持低溫鏈段運動能力，又通過高溫下的流體蛇行運動（reptation），以達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)，形成梯度增強結構（圖1C）。APFGs首次實現(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材料分子與結構設計及性能。

微觀奧秘

  研究團隊通過宏觀和SEM，紅外光譜學，XPS等多種表征方法證實了Fe³⁺離子擴散和與羧基的配位交聯(lián)機制（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”的梯度設計，有效提高了材料的拉伸模量、抗穿刺、耐撕裂的機械性能（圖2E, H，J-K）。重要的是，此設計也保留了柔軟核芯的寬溫域耗能特性，以此實現(xiàn)雙優(yōu)性能（圖2F-G）。制備工藝方面，研究團隊開發(fā)出可規(guī)�；茝V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，能夠高效制備復雜拓撲結構的阻尼器件。

圖2. APFG結構與表征及力學性能測試。

性能驗證

  通過動態(tài)力學測試和時溫等效（TTS）分析，結果顯示材料在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%應變下的能量耗散密度達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%，遠超PDMS材料（圖4A-C）。振動實驗顯示（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）。研究團隊進一步通過電路板保護和阻尼鞋墊應用展示了APFGs的性能。在電子防護領域（圖5A-C），采用APFG封裝保護的電路板經(jīng)受50Hz持續(xù)振動20小時后仍保持功能完好，而未防護設備在7小時內(nèi)即出現(xiàn)損壞；受保護的電路板可有效阻擋外部沖擊，相較于無裝甲狀態(tài)下明顯提升了保護效果（圖5D-E）。

  模擬外源振動下的運動傳感測試中，材料可用作阻尼鞋墊，可使運動傳感器的信噪比從2.5提升至5.7（圖5F-H），為運動監(jiān)測系統(tǒng)在顛簸路況下的穩(wěn)定運行提供保障。在模擬人體關節(jié)沖擊的實驗中（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到33%，突破現(xiàn)有運動護具的低溫失效瓶頸。

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與人體運動的保護和傳感。

  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（深圳）理工學院博士生陳國慶，通訊作者為香港中文大學（深圳）理工學院張祺副教授和訪問學者王鎮(zhèn)武博士（現(xiàn)為哈佛醫(yī)學院博士后）。

  論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv5292