AI驱动材料革新：新型离子凝胶实现力学与抗冲击性能突破
“原位局部取向+离子液体盐析”策略构建高性能复合结构，拓展柔性电子与极端环境应用
背景与挑战
离子凝胶因其高导电性、电化学稳定性和非挥发性，在柔性电子、软机器人及航空航天防护等领域前景广阔。然而，传统离子凝胶存在力学性能弱（通常拉伸强度＜5 MPa）和易断裂等问题，难以适应高温、高速冲击等极端工况。现有改性方法如机械训练、填充剂掺杂或传统盐析（如NaCl溶液）存在拉伸性下降、性能不均或结构失稳等缺陷，制约其实际应用。
核心创新：原位局部取向辅助盐析策略
研究团队提出“离子液体盐析+原位局部取向”协同增强新策略，突破传统技术瓶颈：
- 离子液体替代传统盐溶液：采用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim]BF₄）作为盐析剂，其强离子交换能力与高热稳定性有助于形成更稳固的分子网络；
- 原位局部取向控制：将有机凝胶两端固定于聚氨酯（PU）板上，限制其在盐析过程中的长度方向收缩，仅允许宽度与厚度收缩，从而在内部产生沿长度方向的拉伸应力；
- 协同效应：拉伸应力诱导聚合物链（如PVA）定向排列，同时离子液体促进链段聚集与结晶，形成“高度缠结+微观取向”的复合结构，显著提升综合性能。
实验设计与样品制备
关键材料：聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAAM）为基体；乙二醇（EG）为溶剂；[Bmim]BF₄为核心盐析剂；对比使用NaCl、(NH₄)₂SO₄、柠檬酸钠等传统盐类。
样品制备流程：
| 样品类型 | 制备步骤 | 核心差异 |
|---|---|---|
| 有机凝胶（对照） | PVA+EG加热至130℃混合→浇筑模具→-20℃冷冻12h | 无盐析、无取向 |
| PD-gel（直接盐析） | 有机凝胶直接浸泡于[Bmim]BF₄中7天 | 有盐析、无原位取向 |
| PL-gel（目标样品） | 有机凝胶预拉伸（0%-75%）并固定于PU板→浸泡[Bmim]BF₄中7天 | 盐析+原位局部取向协同 |
表征方法：结合SEM、FT-IR/XPS/EDS、SAXS/WAXS及分子动力学模拟分析微观结构与作用机制，并通过拉伸、压缩、穿刺及弹道冲击测试评估力学性能。
关键研究结果
1. 力学性能显著提升
| 性能指标 | 有机凝胶（对照） | PD-gel | PL-gel | 提升倍数（vs 有机凝胶） |
|---|---|---|---|---|
| 拉伸强度 | 2.4 MPa | 19.5 MPa | 26.2 MPa | 11.1倍 |
| 韧性 | 10.3 MJ/m³ | 109.5 MJ/m³ | 123.7 MJ/m³ | 12.1倍 |
| 压缩强度（50%应变） | 1.3 MPa | - | 12.4 MPa | 9.5倍 |
| 结晶度 | - | - | 54.0% | - |
PL-gel可承受自身重量58823倍的载荷（10kg水桶），并耐受拉伸、扭转、打结等形变，展现卓越力学稳定性。
2. 微观机制解析
- 更强分子间作用：[Bmim]BF₄与PVA结合能达-80.9 kcal/mol，远低于PVA-EG（-21.1 kcal/mol）；F原子与PVA中的H形成更短更强的F-H氢键（RDF峰位1.6 Å），增强网络稳定性；
- 高度有序结构：SAXS显示晶域间距减小，2D积分曲线证实聚合物链沿长度方向取向；WAXS表明结晶度提高且晶区排列优化，晶区作为“承重单元”和“能量耗散中心”，提升韧性。
3. 抗穿刺与抗冲击性能突出
- 准静态穿刺：PL-gel最大穿刺力为有机凝胶的9.1倍，穿刺能量提升11.8倍；
- 动态穿刺：最大穿刺力达139.7 N，断裂面呈现“纤维拔出”现象，证明取向结构有效阻止裂纹扩展；
- 高速冲击：落锤冲击下缓冲时间延长，峰值力降低40%；弹道冲击中能量耗散达18.4 kJ/m，为凯夫拉的3.3倍，临界抗穿透速度达141.0 m/s，展现优异高速防护潜力。
4. 策略通用性强
将该策略应用于PAAM水凝胶体系：
- PAAM-L gel强度提升4.3倍，韧性提升4.1倍；
- 动态穿刺能量为原始水凝胶的14.0倍，验证该方法在不同聚合物体系中的普适性，为高性能凝胶材料提供通用改性路径。
研究意义与局限性
核心价值：
- 首次实现“原位取向”与“离子液体盐析”协同，解决传统盐析导致的结构失稳问题；
- 性能满足柔性电子、个人防护、航空航天等极端场景需求，推动轻量化高性能防护材料发展；
- 策略适用于PVA、PAAM等多种聚合物，参数可调，具备高灵活性与工程化潜力。
局限性：
- 在大应变（40%）循环20次后强度下降36%，残余应变达22.79%，疲劳性能需优化；
- 60℃高温下因结构松弛导致强度下降，-60℃低温下链段运动受限，断裂应变降低，温度适应性有待提升。
结论
本研究通过“原位局部取向辅助盐析”策略，成功构建兼具高强度、高韧性和优异抗冲击性的离子凝胶材料，实现多性能协同突破。该方法具有良好的通用性，为软材料在极端环境下的高性能化提供了新范式，未来有望在柔性传感器、防弹材料、航空航天缓冲结构等领域实现产业化应用。