弹性体的模量与强度往往相互制约，这成为其多场景应用的重要障碍。本研究中，提出一种简单的聚氨酯体系硬段分子设计策略，通过脂肪族链与环结构的协同调控，改变硬段堆积强度，成功制备出杨氏模量可在3-100 MPa 范围内调节的高强度（拉伸强度始终高于50MPa）弹性体。最优样品 H/IP-3.0 兼具低模量（~25 MPa）、高拉伸强度（~76 MPa）和卓越韧性（~360 MJ/m3）的特征。1cm厚的样品在钝击下可实现~80%峰值应力衰减，1cm厚度可实现冲击波超压峰值衰减~69%，综合性能远超各种商用弹性体。这种模量-强度解耦的设计思路，为柔性防护材料的研发开辟了新路径。

  2025年11月20日，该研究以"Modulus-Strength Decoupled High-Toughness Elastomer for Impact Protection" 为题，发表在《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者是沈阳化工大学和清华大学联合培养的硕士毕业生王忠婷和清华大学航院博士毕业生王兴皓，通讯作者是清华大学化工系徐军副教授、博士后史家昕和清华大学航院柳占立教授。

  传统商用弹性体普遍存在力学强度不足的问题，而典型的增强策略大多会导致模量同步升高，陷入"强则硬、柔则弱" 的两难困境，限制了弹性体在高性能防护等场景的应用。近日，清华大学化工系徐军副教授/史家昕博士后与航院柳占立教授团队合作，基于聚氨酯体系提出了通过调控硬段中脂肪族链与环状结构的比例，实现模量与强度的有效解耦的新方法。

  研究选用六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）或三甲基己二异氰酸酯（TMHDI）等三种二异氰酸酯，与对应的二胺扩链剂：三甲基己二胺（TMHDA）、异佛尔酮二胺（IPDA）或二环己基甲烷二胺（HMDA）组合，构建了五种不同硬段结构的聚氨酯系列（H/TM、TM/TM、H/IP、IP/IP、IP/HM），并通过调节扩链剂与聚四氢呋喃软段的摩尔比，制备了30种不同配方的样品。

图1. 弹性体的结构调控与模量-强度解耦

  硬段的结构匹配可有效调控硬段堆积。力学性能最优的H/IP系列中，脂肪链的柔性保证了氢键基团的有效对齐，环状结构则适度提升刚性，二者协同实现了 "强氢键作用 + 低空间位阻 + 适度微相分离" 的理想结构。密度泛函理论模拟与小角 X 射线散射分析证实，这种结构既避免了硬段占比过高或过度侵入软相导致的模量飙升，又能在大应变下通过硬段取向自增强实现应变硬化，从而打破了模量与强度的耦合关系。最优样品 H/IP-3.0 的基础性能令人瞩目：拉伸强度达 76 MPa，是传统弹性体的 2-3 倍；断裂能高达 515 kJ/m2；穿刺能达到1798 mJ/mm。更重要的是，其在宽应变率范围内（从准静态拉压到高速霍普金森压杆实验）始终保持低模量与高强度的平衡，为冲击防护应用奠定了基础。

图2. H/IP-3.0优异的基础力学性能

  H/IP-3.0 展现出非凡的防护潜力。在钝击防护中，基于粘-超弹本构力学模型分析了其通过优化的应力-应变响应曲线实现优异防护性能的机制，而非直观上理解的能量滞后耗散或阻尼。其在 45 J 冲击能量下，峰值应力衰减率达~80%，且经过 4 次连续高能量冲击后，防护性能仍保持稳定。在冲击波防护中，首先基于力学理论和有限元模拟分析，证明了在远场爆炸波下的防护机制主要源于宽温/宽频模量相关的阻抗失配，粘性耗散效应作用有限。利用H/IP-3.0与人体组织的阻抗失配效应，实现了 69% 的冲击波超压峰值衰减，显著优于各种对比商用弹性体材料。 值得注意的是，该材料的防护力学机制研究突破了传统的“高阻尼则优”的认知，尤其是在钝击和远场冲击波的条件下。

图3. 钝击防护效果与力学本构分析

图4. 冲击波防护效果与力学机制研究

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202526753