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  盡管已有大量研究關(guān)注彈性體的強(qiáng)度、韌性或抗沖擊性能，但少有材料能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種性能的有效結(jié)合。為了解決這一問(wèn)題，他們選用聚四氫呋喃（PTMEG）、六亞甲基二異氰酸酯（HDI）及N-氨乙基哌嗪（AP）為基本反應(yīng)單體，含有伯胺與仲胺基團(tuán)的AP可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱氫鍵的耦合。并且為突出多級(jí)氫鍵策略的有效性，選取羥乙基哌嗪（HEP）和異佛爾酮二胺（IPDA）作為對(duì)比擴(kuò)鏈劑，分別構(gòu)建單一弱氫鍵、強(qiáng)氫鍵主導(dǎo)的體系。使用PTMEG、HDI及AP制備的APPU4.5拉伸強(qiáng)度達(dá)到了84 MPa，韌性高達(dá)450 MJ m^?3，顯示出出色的強(qiáng)度和韌性；并且展現(xiàn)出卓越的抗沖擊性能。APPU4.5的優(yōu)異力學(xué)性能源于微觀-介觀多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在微觀上，一方面，強(qiáng)氫鍵提供穩(wěn)定的物理交聯(lián)點(diǎn)，有效增強(qiáng)分子鏈之間的束縛力與材料的整體剛度；另一方面，弱氫鍵在外力作用下能夠優(yōu)先斷裂，顯著提升材料的能量耗散能力與韌性。在介觀尺度上，由于軟硬鏈段之間的不相容性，使其具有明顯的微相分離結(jié)構(gòu)。其中，軟段賦予材料優(yōu)異的柔韌性與回彈性；硬段則形成剛性結(jié)構(gòu)域，提供力學(xué)支撐與物理交聯(lián)節(jié)點(diǎn)。這種微觀與介觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)有效提升聚氨酯-脲的力學(xué)性能，為高性能聚氨酯-脲材料的開(kāi)發(fā)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

  近期，清華大學(xué)化工系徐軍課題組受自然界中蜘蛛絲、扇貝等啟發(fā)，提出了一種調(diào)控多級(jí)氫鍵與硬段堆積的綜合設(shè)計(jì)策略，制備了一種具有高強(qiáng)韌、抗損傷、抗沖擊的聚氨酯/脲APPU彈性體。選用數(shù)均分子量為2000的聚四氫呋喃二元醇作為軟段。為了構(gòu)建多級(jí)氫鍵，選用N-氨乙基哌嗪（AP）作為擴(kuò)鏈劑，通過(guò)六亞甲基二異氰酸酯（HDI）的連接，形成氨酯、受阻脲和脲鍵（圖1）。通過(guò)調(diào)控硬段含量，APPU4.5形成了有序與無(wú)序多級(jí)氫鍵協(xié)同的微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)物理交聯(lián)與有效能量耗散的平衡，達(dá)到強(qiáng)度84 MPa、斷裂韌性450 MJ m^-3的最優(yōu)力學(xué)性能。對(duì)比不同擴(kuò)鏈劑所得材料，適度強(qiáng)度的氫鍵網(wǎng)絡(luò)有利于增強(qiáng)拉伸強(qiáng)度與韌性，而過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱的氫鍵作用分別會(huì)導(dǎo)致鏈段運(yùn)動(dòng)受限或滑移加劇，從而削弱整體力學(xué)性能（圖2）。APPU中的微相分離結(jié)構(gòu)受硬段含量和氫鍵強(qiáng)度的影響，合理的硬段比例和氫鍵增強(qiáng)促進(jìn)了微相分離的優(yōu)化，從而提升了材料的力學(xué)性能。拉伸過(guò)程中通過(guò)硬域取向和破碎機(jī)制，促進(jìn)了能量耗散并增強(qiáng)了分子鏈間的物理交聯(lián)，有效提高了材料的強(qiáng)度和韌性（圖3）。APPU4.5憑借多級(jí)氫鍵和合理的微相分離表現(xiàn)出卓越的抗損傷性能和能量耗散能力，表現(xiàn)出優(yōu)越的耐穿刺性和抗撕裂性，其強(qiáng)-弱相互作用的協(xié)同效應(yīng)使其在循環(huán)拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)中具有顯著的能量耗散和高瞬時(shí)回彈能力，展現(xiàn)出出色的回彈恢復(fù)能力，證明了殘留硬域穩(wěn)定的物理交聯(lián)效應(yīng)（圖4）。與此同時(shí)，APPU4.5展現(xiàn)出卓越的抗沖擊性能，在沖擊測(cè)試中具有顯著的能量耗散能力和高效的沖擊防護(hù)效果，其抗沖擊機(jī)制主要通過(guò)弱氫鍵解離和硬域破碎來(lái)耗散能量，而非傳統(tǒng)材料的應(yīng)變率硬化效應(yīng)。高速?zèng)_擊下，APPU4.5表現(xiàn)出韌性變形行為，未出現(xiàn)屈服，且硬域的多級(jí)氫鍵和適度堆積顯著提高了材料的沖擊強(qiáng)度和韌性，在高應(yīng)變速率下表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他高性能抗沖擊材料（圖5和圖6）。此外，APPU4.5結(jié)合了受阻脲鍵和氫鍵定域共軛效應(yīng)，賦予其優(yōu)異的熱粘接和熒光性能。受阻脲鍵高溫解離后與基板上的羥基反應(yīng)，提升了粘接強(qiáng)度（圖7）。這種考慮多尺度結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)策略不僅能夠定制滿足苛刻要求的材料，還能夠促使我們深入理解高性能材料的內(nèi)在機(jī)制。

圖1 （a）APPU合成路線和（b）APPU的微觀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 （a） 不同硬段含量APPU的拉伸曲線，（b） 不同硬段含量APPU的氫鍵脲、氫鍵氨酯比例，（c-d）同步異步譜圖，（e）不同氫鍵對(duì)照樣品，（f）不同樣品拉伸強(qiáng)度。

圖3 （a） APPU的SAXS曲線，（b） APPU、HEP、IPDA的SAXS曲線，（c） APPU4.5的拉伸SAXS一維曲線，（d） APPU4.5的拉伸SAXS二維圖

圖4（a）APPU-4.5的耐穿刺性能，（b）APPU-4.5的抗撕裂性能，（c）APPU-4.5的斷裂能-強(qiáng)度與其它高性能彈性體對(duì)比，（d）不同應(yīng)變的循環(huán)拉伸，（e）耗散、回彈與其他文獻(xiàn)對(duì)比，（f）不同應(yīng)變的循環(huán)壓縮

圖5（a） 落槌實(shí)驗(yàn)裝置，（b） 力-時(shí)間曲線，（c） 力-位移曲線，（d） 落槌速度-時(shí)間曲線，（e）力峰值防護(hù)效果，（f）循環(huán)落槌測(cè)試的力峰值

圖6（a） SHPB實(shí)驗(yàn)裝置，（b） 應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（c）不同應(yīng)變率下的最大應(yīng)力和沖擊韌性，（d） 沖擊韌性和其他文獻(xiàn)對(duì)比，（e）最大應(yīng)力和其它文獻(xiàn)對(duì)比

圖7（a） APPU4.5的粘接-熒光作為功能防護(hù)層的示意圖，（b） 小分子模型和核磁譜圖，（c）APPU4.5在不同基板材料上的粘接強(qiáng)度，（d） APPU4.5的光致發(fā)光吸收譜，（e）APPU4.5的光致發(fā)光發(fā)射譜， （f）APPU4.5的熒光效應(yīng)照片

  該工作以“Strong and Anti-impact Multi-functional Elastomer via Hierarchical Hydrogen Bonding Design” 為題發(fā)表在《Small》上。文章的第一作者為沈陽(yáng)化工大學(xué)碩士生王忠婷（清華大學(xué)化工系聯(lián)合培養(yǎng)），清華大學(xué)化工系博士后史家昕、副教授徐軍為論文通訊作者，沈陽(yáng)化工大學(xué)王元霞副教授和清華大學(xué)化工系郭寶華教授為論文共同作者。清華大學(xué)化工系博士生苑靜、航空航天學(xué)院博士生王興皓、張逸之為本文工作提供了幫助，畢業(yè)生汪志琦參與論文寫作并繪制了示意圖。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目的支持。

  文章鏈接 https://doi.org/10.1002/smll.202500381