新型超弹性粘性体突破材料性能瓶颈

基于异质网络设计实现低滞后与强粘附的协同优化

在柔性电子、软机器人和人机界面等领域，亟需兼具低滞后（超弹性）与强粘附性的可拉伸材料。然而，这两种性能存在本质矛盾：超弹性依赖弱链间作用以实现高效回弹，而强粘附则需高能量耗散机制，通常伴随显著滞后。传统方法难以兼顾二者，成为材料设计的关键挑战。

研究提出一种异质聚合物网络结构，通过分层设计化解矛盾：

• 表面层：交联松散、刚度低、厚度薄，具备粘弹性，主导强粘附；
• 本体层：交联密集、刚度高、厚度大，呈现超弹性，主导低滞后行为。

关键在于满足 E₁h₁ ≪ E₂h₂ 的刚度-厚度乘积条件，使整体滞后由本体层控制，同时表面层提供高强度粘附。

利用自由基聚合过程中氧气对表面自由基的淬灭效应，实现异质网络的原位成型：

• 表面因氧气富集，聚合不完全，形成松散交联的粘性层；
• 本体缺氧环境下充分聚合，形成致密交联的超弹性层。

通过调控总厚度（H）、氧气浓度和固化时间（t_c），可精确划分材料相态：

• 短固化时间 → 完全固化超弹性体（相 I）；
• 长固化时间 → 未固化液态（相 IV）；
• 中等固化时间 → 异质结构，满足条件时获得超弹性粘性体（HEAs，相 II），否则为普通粘弹性体（相 III）。

HEAs 与粘弹性体之间的转变遵循幂律关系：H_c ∝ t_c^β，可通过实验拟合确定临界参数。

以聚（丙烯酸丁酯-丙烯酸）P(BA-co-AA) 网络为例进行验证：

• 超弹性表现：滞后小于5%（优于商用PDMS的7%），经历1000次循环后性能稳定；应力松弛可忽略，蠕变恢复率达99%，显著高于商用胶带3M 4905（77.8%）；
• 粘附性能：粘附能超过300 J/m²（主要来自表面层，本体层仅约10 J/m²）；在薄层条件下，粘附能随厚度变化呈非线性特征，源于断裂过程区扩展机制；
• 性能调控：增加丙烯酸（AA）含量可增强氢键作用，粘附能从30 J/m²提升至443 J/m²，且保持低滞后特性不变。

HEAs 在需要高循环稳定性与强界面结合的场景中展现出巨大潜力：

• 软机器人应变传感器：采用含LiTFSI的离子型HEAs制备电容式传感器，可稳定监测抓取动作，连续运行1000次无信号漂移；
• 电子皮肤基底：在HEA表面涂覆导电碳浆后可紧密贴合人体皮肤，实时监测手腕弯曲等运动，50次循环内信号稳定，剥离时可见皮肤明显变形，证实其强粘附能力。

• 理论价值：阐明了力学异质性协调超弹性与粘附性的物理机制，建立了聚合相图与结构转变准则；
• 应用潜力：为自粘附、抗疲劳的柔性电子、软体机器人及人机接口材料提供了新设计范式；
• 后续挑战：需提升表面层在高温高湿环境下的稳定性，并优化生物相容性；未来可通过引入其他自由基抑制剂或相分离技术进一步拓展HEAs的设计空间。

该研究通过理性设计异质结构与原位合成策略，成功突破了超弹性与强粘附之间的固有矛盾，为高性能柔性材料的发展开辟了新路径。