【海川化工科技前沿】兰州化物所机械训练设计超强共晶凝胶获重要进展

随着机械设备向精密化、大型化、自动化、集成化和智能化等方向的快速发展，对极端工况下高强度应变压力传感材料的需求日益增加。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室摩擦物理与传感团队提出了“超滞后介导机械训练策略”，集成分子和结构的正交协同耦合作用，构建了超强韧的共晶凝胶并设计了离子压电机械传感器，实现离子流驱动的力电传导，为软材料的极端力学性能及力−电耦合设计提供了新范式。

超强凝胶通常模量和强度较高，但力学韧性一直是挑战。该研究通过将低共熔溶剂（DES）引入半结晶性PVA水凝胶中进行机械训练，实现了超高强度与优异韧性的兼容（图1）。在溶剂置换过程中，通过氢键重构促进PVA结晶增强，形成密集的纳米晶域并赋予超滞后效应，实现单次预伸展的“超滞后介导的机械训练”。同时，得益于超滞后的结构阻滞效应，机械训练后的单网络凝胶还可进一步浸泡前驱液，并通过自由基聚合构建化学交联的第二网络形成层级互穿。此层级互穿的双网络结构赋予凝胶材料微观协同介观的多尺度能量耗散特性，极大地提升了力学性能，其断裂强度达~ 85.2 MPa、杨氏模量为~ 98 MPa、断裂韧性提升至~ 130.6 MJ·m−3，远优于目前报道的强韧聚合物凝胶体系（图2）。


界面之间的运动、行为会耗散大量的机械能，比如界面摩擦，润滑是减小能源消耗的有效途径。然而，对于一些极端工况，界面的机械耗散是不可避免的，为此，针对极端环境下的高承载或高抗冲击工程软材料需求，超滞后介导的机械训练构建的超强共晶凝胶可通过力电转导的方式收集机械能，并将转化的电能作为传感信号反映压力应变（图3），该研究展示了共晶凝胶在高温环境中的力学稳定性及作为离子压电机械感受器在压力驱动力电转导的响应性能，实现了强韧力学与电学性能之间的力−电耦合的协同设计，为性能和功能的适配耦合提供了全新的设计范式和构建策略。



该研究工作以“Ultrastrong eutectogels engineered via integrated mechanical training in molecular and structural engineering”为题发表在Nature Communications上。兰州化物所博士生许成功为该论文第一作者，兰州化物所冯雁歌副研究员、王道爱研究员和刘维民院士为共同通讯作者。

以上研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、甘肃省重大科技专项等项目的支持。

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