抗冲击性能来源于高承载网络与动态界面相互作用的协同耦合，该机制可实现有效的应力传递与能量耗散。水凝胶是制备抗冲击柔性材料极具潜力的候选材料，但在水凝胶体系中同时强化网络结构与界面仍存在难题，这限制了其在高应变速率载荷下的性能。为克服该局限，本文制备了一种复合水凝胶：以聚乙烯醇（PVA）为基体，壳聚糖-海藻酸钠纳米纤维（CSNFs）作为增强相，柠檬酸钠作为多功能离子偶联剂。该偶联剂具备三重作用：（1）通过霍夫迈斯特效应增强PVA基体；（2）借助去溶剂化与静电交联强化CSNF网络；（3）改善纤维-基体界面。依托一体化复合网络与层状微观结构，材料可实现高效的应力传递与能量耗散。该复合水凝胶拥有优于高性能固态聚合物的抗冲击能力，在7000每秒的应变速率下，冲击强度可达426.7兆帕，韧性为106.4兆焦每立方米，同时仍保持优异的拉伸性能（拉伸强度：54.2兆帕；断裂应变：590%）。借助分子层面的实验与模拟分析，本研究证实离子偶联是一种简便高效的策略，可用于制备具备超高抗冲击性能的复合水凝胶，拓展了柔性材料在冲击防护、减振与能量吸收领域的应用前景。

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

图1

抗冲击复合水凝胶制备策略示意图。a）超声诱导壳聚糖-海藻酸钠纳米纤维（CSNFs）组装。b）利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）抗冲击水凝胶的多级复合结构，包括溶剂蒸发形成的层状微观结构、纤维与基体网络协同增强体系、强化的纤维-基体界面以及分子层面相互作用。

图2

优异的抗冲击性能与阻尼特性。a) 分离式霍普金森压杆（SHPB）装置示意图。b) CPS水凝胶在不同应变率下的冲击应力-应变曲线。c) 与文献报道的高分子材料的冲击强度及韧性对比[18, 21-33]。d) 钢球落锤冲击试验，展示厚度1毫米的CPS水凝胶对玻璃板的防护效果。e) PVA、CP以及CPS水凝胶落球冲击测试的力-时间曲线（落高：63.5厘米），包含峰值力、峰值力衰减率与冲量的定量对比。f) PVA、CP以及CPS水凝胶在0.1至100赫兹频率区间内的储能模量（G′）与损耗模量（G″）；g) PVA、CP以及CPS水凝胶的损耗因子。

图3

准静态力学性能。a) PVA、CP以及CPS水凝胶的典型拉伸应力-应变曲线。b) 杨氏模量与韧性对比。c、d) 本研究中CPS和OCPS水凝胶的断裂应变、拉伸强度及韧性，与文献报道的其他高强高韧水凝胶性能对比[7, 34-52]。e) PVA和CPS水凝胶在逐级增大应变下的典型循环拉伸应力-应变曲线；f) 计算得到的水凝胶滞后能与滞后系数。g) 水凝胶的穿刺力-位移曲线。h) 展示CPS水凝胶抗穿刺性能的照片。i、j) CPS水凝胶的断裂形貌。

图4

SC对基体与纤维网络的协同增强效应。a) PVA、CP及CPS水凝胶的DSC曲线；b) XRD图谱；c) SAXS谱图。d) CP与CPS水凝胶的N 1s XPS谱图。e) CPS水凝胶中分子相互作用的示意图。f、g) 组分间结合能的密度泛函理论（DFT）计算，包括PVA–PVA氢键、CSNF–PVA氢键以及CSNF–SC静电相互作用。

图5

SC介导界面相互作用以实现能量耗散的分子动力学模拟。a）SC介导界面能量耗散的示意图。b、c）分别为在b）SC溶液和c）水中达到平衡后的CSNF–PVA界面模型的分子动力学快照。d）对CP体系与CPS体系施加剪切载荷时，界面滑移位移随时间的变化，体现出显著的粘滑行为。e）对应的界面剪切应力-时间曲线，表明相较于CP体系，CPS体系具备更高应力水平以及更高效的脱粘-再结合响应。f）CPS体系（上方）与CP体系（下方）在不断增大的应变下，界面剪切变形的典型分子动力学快照。

总结

水凝胶要同时强化网络和界面并不容易，这限制了它在高应变速率下的表现。本文以PVA为基体、壳聚糖-海藻酸钠纳米纤维为增强相，引入柠檬酸钠作为多功能离子偶联剂。柠檬酸钠在这里承担三重角色：通过霍夫迈斯特效应增强PVA基体，借助去溶剂化和静电交联强化纤维网络，同时改善纤维与基体之间的界面。三者协同形成一体化复合网络和层状微观结构，使应力能够有效传递、能量能够充分耗散，从而在高速冲击下保持结构完整。

离子偶联的思路不依赖复杂合成，易于推广到其他柔性防护材料体系。真正值得继续追问的是这种层状结构和界面设计在长期循环载荷、极端温度和潮湿环境下的稳定性，以及从实验室样品走向大尺寸制备时，纤维分散和界面均匀性能否保持一致。如果这些问题能够解决，这类水凝胶在冲击防护、减振和能量吸收上的应用空间会比单一拉伸性能所展示的更大。

参考消息：

我们专注纳米医学领域功能材料定制。可依据您的实验需求，定向开发生物功能纳米材料，调控材料结构、粒径与表面修饰，配套全套表征测试。方案可反复优化，全程技术对接，支

撑靶向递送、生物成像、纳米诊疗等相关科研项目。欢迎提供指标需求，我们评估定制方

案。

张工17715390137     陈工18914047343