弹性体材料因兼具大变形能力、机械顺应性与高回弹性，被广泛应用于轮胎、减震器等动态承载部件。然而，正是这种柔顺性使其在高速冲击或高频摩擦等突发载荷下易产生应力集中和动态损伤。理想的弹性体应具备力学自适应能力——低频时保持柔顺，高频迅速硬化以抵抗损伤。然而，传统橡胶的固有粘弹性硬化在实用频域内增幅有限，难以满足上述防护需求。

  近日，华南理工大学郭宝春教授、金斌杰副教授与西安交通大学张立群院士团队合作发表了一项创新性研究成果。他们构建了一种以交联XNBR为连续相、液晶畴为分散相的相分离结构：XNBR基体维持回弹性和尺寸稳定性，液晶畴提供频率响应的“可调性”，两相协同实现弹性体材料力学性能的频率自适应。

  2026年8月12日，该论文题为“Frequency-Adaptive Elastomers through Cooperative Dynamics of Liquid-Crystalline Domains and a Rubber Matrix”，第一作者为华南理工大学博士研究生熊莎凡。

▍ HFSEs的设计思路和微观机制

  传统共价交联弹性体因交联网络结构固定，其动态力学性能对加载频率的敏感性较低，模量在宽频域内的变化幅度有限，难以满足频率自适应防护的需求。剪切增稠流体或动态共价键网络等策略虽能提升频率敏感性，却往往伴随着高力学滞后、大永久变形或较差的尺寸稳定性。

  研究团队的创新思路在于：构建一个相分离的弹性体网络——连续的交联XNBR相提供弹性恢复和尺寸稳定性，而分散的液晶畴则赋予材料频率依赖的力学响应。（图1a）在低频加载下，液晶基元有足够时间重新取向，从而松弛局部应力；而在高频加载下，液晶基元运动受到限制，这些畴便成为有效的承力单元，实现快速硬化。

  AFM-QNM模量图直观地验证了这一机制（图1b-i）。在0.25 kHz的轻敲频率下（图1c, f），液晶畴的模量约为191 MPa；当频率升至2.0 kHz时（图1e, h），其模量急剧攀升至1970 MPa，增幅超过10倍。而XNBR基体在同一频率范围内仅从66 MPa升至242 MPa。这种强烈的频率响应性，正是液晶畴中基元取向动力学受限的直接体现。

图1. HFSEs的制备及其AFM-QNM模量分布图

  进一步的原位SAXS实验也证实了这一点（图2）：在低速拉伸下，液晶畴沿拉伸方向发生取向，散射环演变为弧状；而在高速拉伸下，散射环仍保持各向同性，说明液晶基元的转动取向被显著冻结。

图2. 液晶基元的频率自适应响应机制

▍ HFSEs的宏观性能：低频柔顺，高频硬化

  在宏观力学性能上，HFSE展现出显著的频率自适应特性。流变测试表明，40HFSE（LCO含量40 wt%）在0.01~100 Hz范围内储能模量增加了6.2倍，而纯XNBR仅为2.2倍。

  更为重要的是，这种动态硬化并未牺牲材料的回弹性和尺寸稳定性。循环拉伸测试显示，HFSE的残余应变仅从8%小幅升至16%，压缩永久变形在96小时后仍低于5%，与纯XNBR相当，证明其长期尺寸稳定性优异。

图3 HFSEs的频率响应性、回弹性和尺寸稳定性

▍ 应用验证：防护能力的全面提升

  作者通过三种典型的动态损伤场景验证了HFSE的实用防护性能。在高速摩擦条件下（60 km/h），5HFSE的磨损体积较对照样降低77.4%（图4a-b）；在动态疲劳加载下（30 Hz），对照样在含预制缺口的情况下立即发生断裂，而10HFSE经30,000次循环后裂纹仅发生轻微扩展（图4c-e）；在高频冲击测试中（6.7 Hz），其损伤深度仅为0.22 mm，相比对照样的1.35 mm降幅达83.7%（图4f-h）。上述结果表明，HFSEs在高频动态加载下能够有效抑制应力集中和损伤累积，为软质防护材料的设计提供了新的思路。

图4 HFSEs在不同动态损伤场景下的防护性能

▍ 总结

  这项工作提出了力学自适应弹性体的相分离设计策略。通过将高弹性的XNBR基体与频率敏感的液晶畴相结合，材料实现了“时间选择性”的力学响应——低频加载时保持柔软，高频加载时迅速硬化，提供瞬时防护。该响应机制不依赖于玻璃化转变、剪切增稠或动态键交换等传统途径，所得弹性体兼具高强度、优异的尺寸稳定性和出色的回弹性。基于上述动态硬化能力，材料在耐磨性、抗冲击性能和抗裂纹扩展方面均得到显著提升，为新一代自适应防护软材料的设计提供了全新思路。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.74609