自修复性是新一代离子弹性体具有吸引力的功能特性，在生物医学、软体机器人和柔性电子等领域展现出广阔的应用前景。理想的自修复离子弹性体应兼具高拉伸强度、高断裂韧性、高离子电导率，以及优异的抗穿刺性能与抗撕裂性。然而，这些性能相互制约，难以同步提升，亟待突破。

  针对这一瓶颈，近日，东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室游正伟教授团队在前期(含氟)聚氨酯弹性体的研究基础上(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202505848. Adv. Mater. 2024, 36, 2406480. Adv. Mater. 2023, 35, 2310020. Adv. Mater. 2019, 31, 1901402. Acc. Chem. Res. 2023, 56, 2907. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2024, 121, e2404726121. Sci. Adv. 2025, 11, eadt0825. Sci. Adv. 2024 10, eadk5177. Nat. Commun. 2023, 14, 2218. Nat. Commun. 2021, 12, 4395. Mater. Today 2025, 83, 35. Sci. Bull. 2024, 69, 1875. Sci. China Mater. 2022, 65, 2553)，联合孙俊芬教授团队，提出一种F-H键限域的新策略，解决了离子弹性体在力学强度、电导率和自修复性能之间此消彼长的难题，研制出软而强韧的新型固态锂离子导电弹性体(SICE-FA-20)。该材料在多项关键性能指标上实现了突破，其拉伸强度(38.5 MPa)、抗撕裂能(112.5 kJ·m?2)、抗穿刺能(642.0 mJ)及自修复率(99.3%)，高于此前报道的固态锂离子导电弹性体。

  2025年12月10日，相关研究成果以“Self-confined effects induced by F–H bonds simultaneously enhance mechanical strength, conductivity, and self-healability of ionic elastomers”为题发表于Adv. Funct. Mater. 。东华大学为论文唯一通讯单位，博士生贾宇杰为第一作者，游正伟教授和孙俊芬教授为共同通讯作者，中国科学技术大学张宏俊教授为共同作者，负责正电子湮灭技术方面的测试和分析。本研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

  该团队通过氟氢键限域策略，实现了小尺寸且高密度纳米硬域的原位构筑(图1a)，从而同步提升了固态离子导电弹性体的拉伸强度、离子电导率与自修复性能(图1b)。分子中富含氢键供体与受体的酰肼基元可形成具有高密度氢键阵列的独特微相分离结构域；而含氟基团则通过F–H相互作用进一步诱导形成小且密集的氟化硬域。一方面，这些氟化硬域提高了软段的自由体积分数并降低了材料的玻璃化转变温度，增强了与固态锂盐阴离子之间的非共价相互作用，促进锂盐解离，提升离子电导性能。另一方面，该硬域可发挥类似刚性纳米填料的作用，有效提高材料的拉伸强度、抗撕裂性与抗穿刺性；同时其在外力作用下可通过变形与解离耗散大量能量，赋予材料优异的断裂韧性；此外，硬域内含有动态的氟化酚氨酯键，其可与可逆氢键网络在热刺激条件下发生断裂与重组，提升离子弹性体的自修复能力与循环再加工性能。

【图1：氟氢键限域微观示意图及其限域增效作用】

  氟氢键限域策略可有效减小微相分离结构域的尺寸。与非氟化离子弹性体(SICE-BA-20)相比，氟化离子弹性体(SICE-FA-20)在拉伸强度、离子电导率及自修复效率等方面均表现出显著提升。

【图2：含氟离子弹性体SICE-FA-20及其对照物SICE-BA-20的结构】

  作者采用密度泛函理论计算比较了氟化二聚体(FA-UU)与非氟化二聚体(BA-UU)的结合能，推断了对应的含氟聚合物中氟氢键的存在。

  作者通过全原子分子动力学模拟、傅里叶变换红外光谱、小角X射线散射以及原子力显微镜等手段分析了SICE-FA-20和SICE-BA-20的内聚能、氢键形成情况和微相结构，结果表明：和SICE-BA-20相比(65.2 kJ mol^-1, ≈52, 2.11 ?和21.3 nm)，SICE-FA-20体系中由于氟氢键存在，其表现出更高的内聚能(88.3 kJ mol^-1)、更多的氢键位点(≈67)、更短的平均氢键长度(2.09 ?)、更小的硬域尺寸(9.9 nm)。这些因素共同赋予SICE-FA-20良好的力学性能。

【图4：含氟离子弹性体SICE-FA-20及对照物的力学、自修复和再加工性】

  得益于更小且更密集的氢键纳米相，和无氟对照材料SICE-BA-20相比，氟化SICE-FA-20具有更优异的弹性、高的离子电导率(在30 °C时3.8 ×10^-3 S m^-1)和高韧性(52.5 MJ m^-3)，同时保持了低模量(6.8 MPa)，表现出软而强韧的特性。SICE-FA-20的抗穿刺能和拉伸强度分别为887.0 mJ和38.5 MPa，均超过此前报道的固态锂离子导电弹性体。其抗撕裂能为112.5 kJ m^?2，是天然橡胶断裂能的11倍。此外，纳米域是由动态的氢键阵列和氟化酚氨酯键构成的，其具有可逆性，这一特征使弹性体具备优异的修复率(99.0%)、热稳定性和良好的再加工性。

【图5：含氟离子弹性体SICE-FA-20及SICE-BA-20性能增强机理】

  为了阐明拉伸强度、离子电导率和自修复性能同步提升的机理。作者通过原位和拉伸小角X射线散射，广角X射线衍射、原位变温红外光谱、正电子湮灭寿命谱、密度泛函理论计算等手段进行深入研究。结果表明：小应变下(<300%)，小而密集的纳米硬域结构稳定，可起到类似刚性纳米填料的作用，提高力学强度、耐损伤和抗穿刺性；大应变下(>300%)，纳米域发生变形并进一步解离耗散能量，同时分子链被取向并伴随软段的拉伸诱导结晶，从而提升材料的韧性。原位变温红外则证实了氟化的酚氨酯键具有更低的解离温度和更高的解离率和速率，有效提高自修复性能。更为重要的是，氟化基团不仅可通过与固态锂盐中阴离子形成非共价相互作用促进锂盐解离，加快锂离子的传输；还能降低材料的玻璃化转变温度，增强聚合物链运动能力，提高离子电导率。

【图6：增强机理的普适性验证及SICE-FA-20的综合性能汇总】 

  为了验证氟氢键限域策略同步提高矛盾性能的普适性。作者利用脂肪族酰肼(A)、芳香族酰肼(I)和1,6己二胺(H)，通过掺杂锂盐，合成了一系列固态锂离子导电弹性体(SICE-XX-20)，并进行显著性差异分析。结果表明，含有“氟氢键限域”的体系，在拉伸强度、离子电导率及自修复性能方面均明显优于无氟对照物。其中SICE-FA-20综合性能优异，其极限应力、离子电导率、热分解温度、抗穿刺能、拉伸韧性与自修复率均高于所制备同系列的固态离子导电弹性体。

结论

  本研究通过氟氢键限域效应解决了离子弹性体在高拉伸强度、高离子电导率与自修复效率难以兼得的矛盾。所制备的固态离子导电弹性体(SICE-FA-20)表现出高拉伸强度，同时具备优异的抗穿刺能力与裂纹容忍能力，即使在遭受切割或产生裂纹等机械损伤的情况下，仍能保持良好的可靠性与耐久性。其离子电导率相较于非氟化类似物提升了一个数量级。得益于纳米结构域的动态解离性，SICE-FA-20还展现出良好的自修复能力与可再加工性，提升了材料的使用可靠性与环境可持续性。为调控聚合物材料性能提供一种新策略。

团队介绍

  游正伟，教授、博导，先进纤维材料全国重点实验室副主任、东华大学材料与科学工程学院复合材料系主任。主要从事聚氨酯、生物医用弹性体与液晶聚芳酯的研究及其产业化。发表通讯作者论文100多篇(40多篇IF>15)，包括Nat. Med.、4篇Nat. Commun.、2篇Sci. Adv.、PNAS、13篇Adv. Mater.、10篇Adv. Funct. Mater.、4篇ACS Nano等；应邀为Acc. Chem. Res.和Prog. Polym. Sci.等权威期刊撰写综述；获授权中国发明专利60余项，其中2项专利单项金额≥100万转化。成果入选2021年中国心血管病十大基础研究论文、2025年度中国化学会高分子科学创新论文、国家新材料产业发展战略咨询委员会编著的《中国新材料技术发展蓝皮书》，被美国材料研究学会、国家自然科学基金委、中国科学报等权威机构报道。入选2022年上海领军人才、2023年上海市十大青年科技杰出贡献奖、2025年山东省泰山产业创新领军人才，以第一完成人荣获2023年中国优生优育协会科技创新项目一等奖、2024年第12届澳门国际创新发明展览会金奖、2025年中国材料研究学会科学技术奖一等奖与中国纺织工业联合会自然科学一等奖。现任中国生物材料学会生物材料先进制造分会副主任委员、中国纺织工程学会柔性电子生物医用纺织材料科研基地主任、学术期刊Smart Materials in Medicine(CiteScore=14.8)副主编、Bioactive Materials.(IF=20.3)和Chinese Journal of Polymer Science(IF=4.0)编委。

  孙俊芬，教授、博导，东华大学材料与科学工程学院高材系，主要从事功能材料方面的研究，先后主持教育部留学回国基金、中央高校基金、上海市自然科学基金、国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题(东华大学主持)等。在国内外学术刊物上发表与膜材料相关论文100余篇，其中在国外期刊发表SCI文章70余篇，发表国际学术会议论文20余篇，申请国家发明专利100余项，目前近40项国家发明专利已授权。兼任中国材料学学会、中国纺织工程学会、中国膜工业协会成员。2024年获得中国轻工业联合会科学技术进步奖一等奖“高比表面及皮芯结构纤维材料与环保制品的研发与产业化”。2025年获得中国纺织工业联合会科技进步奖一等奖“耐光老化阻燃工程专用聚丙烯短纤维大容量制备关键技术及产业化”。

  课题组主页：https://pilab.dhu.edu.cn/zyou/

  原文信息

  Yujie Jia, Chengzhen Chu, Shichun Cao, Zekai Wu, Shijia Gu, Zhengchong Chen Hongjun, Zhang, Junfen Sun,* and Zhengwei You*. Self-confined effects induced by F–H bonds simultaneously enhance mechanical strength, conductivity, and self-healability of ionic elastomers. Advanced Functional Materials. 2025, e2526628.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202526628

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