尽管已有大量研究关注弹性体的强度、韧性或抗冲击性能，但少有材料能够同时实现多种性能的有效结合。为了解决这一问题，他们选用聚四氢呋喃（PTMEG）、六亚甲基二异氰酸酯（HDI）及N-氨乙基哌嗪（AP）为基本反应单体，含有伯胺与仲胺基团的AP可以实现强弱氢键的耦合。并且为突出多级氢键策略的有效性，选取羟乙基哌嗪（HEP）和异佛尔酮二胺（IPDA）作为对比扩链剂，分别构建单一弱氢键、强氢键主导的体系。使用PTMEG、HDI及AP制备的APPU4.5拉伸强度达到了84 MPa，韧性高达450 MJ m^?3，显示出出色的强度和韧性；并且展现出卓越的抗冲击性能。APPU4.5的优异力学性能源于微观-介观多尺度结构设计，在微观上，一方面，强氢键提供稳定的物理交联点，有效增强分子链之间的束缚力与材料的整体刚度；另一方面，弱氢键在外力作用下能够优先断裂，显著提升材料的能量耗散能力与韧性。在介观尺度上，由于软硬链段之间的不相容性，使其具有明显的微相分离结构。其中，软段赋予材料优异的柔韧性与回弹性；硬段则形成刚性结构域，提供力学支撑与物理交联节点。这种微观与介观结构的协同设计有效提升聚氨酯-脲的力学性能，为高性能聚氨酯-脲材料的开发提供了新的设计思路。

  近期，清华大学化工系徐军课题组受自然界中蜘蛛丝、扇贝等启发，提出了一种调控多级氢键与硬段堆积的综合设计策略，制备了一种具有高强韧、抗损伤、抗冲击的聚氨酯/脲APPU弹性体。选用数均分子量为2000的聚四氢呋喃二元醇作为软段。为了构建多级氢键，选用N-氨乙基哌嗪（AP）作为扩链剂，通过六亚甲基二异氰酸酯（HDI）的连接，形成氨酯、受阻脲和脲键（图1）。通过调控硬段含量，APPU4.5形成了有序与无序多级氢键协同的微观结构，实现了强物理交联与有效能量耗散的平衡，达到强度84 MPa、断裂韧性450 MJ m^-3的最优力学性能。对比不同扩链剂所得材料，适度强度的氢键网络有利于增强拉伸强度与韧性，而过强或过弱的氢键作用分别会导致链段运动受限或滑移加剧，从而削弱整体力学性能（图2）。APPU中的微相分离结构受硬段含量和氢键强度的影响，合理的硬段比例和氢键增强促进了微相分离的优化，从而提升了材料的力学性能。拉伸过程中通过硬域取向和破碎机制，促进了能量耗散并增强了分子链间的物理交联，有效提高了材料的强度和韧性（图3）。APPU4.5凭借多级氢键和合理的微相分离表现出卓越的抗损伤性能和能量耗散能力，表现出优越的耐穿刺性和抗撕裂性，其强-弱相互作用的协同效应使其在循环拉伸和压缩实验中具有显著的能量耗散和高瞬时回弹能力，展现出出色的回弹恢复能力，证明了残留硬域稳定的物理交联效应（图4）。与此同时，APPU4.5展现出卓越的抗冲击性能，在冲击测试中具有显著的能量耗散能力和高效的冲击防护效果，其抗冲击机制主要通过弱氢键解离和硬域破碎来耗散能量，而非传统材料的应变率硬化效应。高速冲击下，APPU4.5表现出韧性变形行为，未出现屈服，且硬域的多级氢键和适度堆积显著提高了材料的冲击强度和韧性，在高应变速率下表现明显优于其他高性能抗冲击材料（图5和图6）。此外，APPU4.5结合了受阻脲键和氢键定域共轭效应，赋予其优异的热粘接和荧光性能。受阻脲键高温解离后与基板上的羟基反应，提升了粘接强度（图7）。这种考虑多尺度结构的材料设计策略不仅能够定制满足苛刻要求的材料，还能够促使我们深入理解高性能材料的内在机制。

图1 （a）APPU合成路线和（b）APPU的微观结构示意图

图2 （a） 不同硬段含量APPU的拉伸曲线，（b） 不同硬段含量APPU的氢键脲、氢键氨酯比例，（c-d）同步异步谱图，（e）不同氢键对照样品，（f）不同样品拉伸强度。

图3 （a） APPU的SAXS曲线，（b） APPU、HEP、IPDA的SAXS曲线，（c） APPU4.5的拉伸SAXS一维曲线，（d） APPU4.5的拉伸SAXS二维图

图4（a）APPU-4.5的耐穿刺性能，（b）APPU-4.5的抗撕裂性能，（c）APPU-4.5的断裂能-强度与其它高性能弹性体对比，（d）不同应变的循环拉伸，（e）耗散、回弹与其他文献对比，（f）不同应变的循环压缩

图5（a） 落槌实验装置，（b） 力-时间曲线，（c） 力-位移曲线，（d） 落槌速度-时间曲线，（e）力峰值防护效果，（f）循环落槌测试的力峰值

图6（a） SHPB实验装置，（b） 应力-应变曲线，（c）不同应变率下的最大应力和冲击韧性，（d） 冲击韧性和其他文献对比，（e）最大应力和其它文献对比

图7（a） APPU4.5的粘接-荧光作为功能防护层的示意图，（b） 小分子模型和核磁谱图，（c）APPU4.5在不同基板材料上的粘接强度，（d） APPU4.5的光致发光吸收谱，（e）APPU4.5的光致发光发射谱， （f）APPU4.5的荧光效应照片

  该工作以“Strong and Anti-impact Multi-functional Elastomer via Hierarchical Hydrogen Bonding Design” 为题发表在《Small》上。文章的第一作者为沈阳化工大学硕士生王忠婷（清华大学化工系联合培养），清华大学化工系博士后史家昕、副教授徐军为论文通讯作者，沈阳化工大学王元霞副教授和清华大学化工系郭宝华教授为论文共同作者。清华大学化工系博士生苑静、航空航天学院博士生王兴皓、张逸之为本文工作提供了帮助，毕业生汪志琦参与论文写作并绘制了示意图。该研究得到国家自然科学基金青年基金项目的支持。

  文章链接 https://doi.org/10.1002/smll.202500381