Advanced Materials | 通过离子偶联策略实现更优越的抗冲击复合水凝胶

抗冲击能力源于强承载网络与动态界面相互作用的耦合，从而实现有效的应力转移和能量散逸。尽管水凝胶是抗冲击软材料的有前景候选材料，但在水凝胶中同时强化网络和界面仍具挑战，这限制了其在高应变率载荷下的表现。为克服这一限制，我们开发了一种复合水凝胶，由聚（乙烯醇）（PVA）基体与壳醛酸钠纳米纤维（CSNFs）强化组成，使用柠檬酸钠作为多功能离子偶联，（i）通过霍夫迈斯特效应强化 PVA 基体，（ii）通过溶解和静电交联强化 CSNF 网络，（iii）改善其纤维-基质界面， 通过集成复合网络和分层微观结构实现高效的应力传递和能量散逸。复合水凝胶相较于高性能固体聚合物具有更优越的抗冲击能力，冲击强度为 426.7 兆帕，抗体强度为 106.4 兆焦耳， ^{− 3} 且在 7000 秒 ^{− 1} 内具有优异的抗拉性能（抗拉强度：54.2 兆帕;断裂应变：590%）。通过分子级实验和模拟分析，本研究确立了离子耦合作为一种简单且有效的策略，用于实现具有极高抗冲击性的复合水凝胶，拓展了软材料在冲击保护、阻尼和能量吸收方面的潜力。

该研究以题为“Superior Impact-Resistant Composite Hydrogels Through an Ionic Coupling Strategy”发表在Advanced Materials上。

抗冲击复合水凝胶制备策略的示意图。a) 超声诱导的壳聚糖-海藻酸钠纳米纤维（CSNFs）组装。b) 使用柠檬酸钠的离子耦合策略协同增强CSNF-PVA复合水凝胶。c, d) 抗冲击水凝胶的层级复合结构，包括由溶剂蒸发形成的分层微观结构、协同增强的纤维与基体网络、增强的纤维-基体界面以及分子水平相互作用。卓越的抗冲击性能和阻尼能力。a) 分离霍普金森压杆（SHPB）装置的示意图。b) CPS 水凝胶在不同应变率下的冲击应力–应变曲线。c) 与文献中报道的聚合物材料[18, 21–33]的冲击强度和韧性比较。d) 坠落钢球冲击实验显示 1 mm 厚的 CPS 水凝胶可保护玻璃板。e) PVA、CP 和 CPS 水凝胶的落球冲击实验力–时间曲线（下落高度：63.5 cm），并对峰值力、峰值力降低和冲量进行定量比较。f) 在 0.1 至 100 Hz 频率范围内的储能模量（G′）和损耗模量（G″），以及 g) PVA、CP 和 CPS 水凝胶的损耗因子。被从 0.5 m 高处落下的钢球击中时发生破碎（图 2d）。

总结