【研究背景】
在我们日常生活中，从跑鞋的缓震鞋底、汽车的减震器，到精密仪器的防震包装，能量耗散材料无处不在。它们如同默默无闻的“安全卫士”，通过将破坏性的动能（如冲击、振动）转化为热能等方式消耗掉，保护着人和设备的安全。
在众多材料中，聚合物基材料因其可重复使用和对冲击速度敏感（即加载越快，越“硬核”）的特性而备受青睐。然而，它们长期以来面临着两大难以逾越的技术瓶颈：（1）难以同时实现高损耗因子（高效耗能指标，tanδ > 1）和高模量（材料刚性，> 20 MPa）。高耗能的通常太软，高刚性的又不够“吸能”。（2）聚合物在被拉伸时耗能能力极强，但在许多实际应用中（如承重结构、缓冲垫），材料主要承受的是压缩应力，这使得其优异的耗能潜力被严重压制。
【文章简介】
近日，来自南方科技大学葛锜教授团队、香港大学陆洋教授团队合作在《Advanced Functional Materials》上发表了最新研究，他们通过质多三维MultiMatter C30系列多材料光固化3D打印装备成功研发出一种新型高能量耗散（HED）聚合物，并巧妙地通过一种“压缩-拉伸”（C2T） 结构设计，一举突破了上述两大限制。该成果发表在《Advanced Functional Materials》，题为《Adaptive Energy Dissipator with Compression-to-Tension Design》
图文导读
如图1所示，首先，团队研制出一种名为HED的聚合物。其内部同时引入了两种动态物理交联键：氢键和动态配位键。可以把它想象成一个内部拥有双重保险的弹簧网络：氢键数量多，负责快速响应和耗能；配位键强度高，负责提供坚固骨架。这种协同作用，让HED聚合物拥有了优异的性能：高损耗因子：tanδ 高达 2.0（意味着其耗散能量的效率高）。高模量：110.5 MPa（具备了结构材料所需的刚性）。突出的耗能密度：26.8 J cm⁻³（单位体积内能吸收的冲击能量大）。
图1. HED聚合物的化学性质及其特性表征
其次，为了解决聚合物在压缩下“有力使不出”的问题，团队设计了一种压缩-拉伸（C2T）转换结构（如图2所示）。该结构利用多材料3D打印技术，将刚性的框架与HED聚合物条带集成在一起。当整个结构被压缩时，内部的HED条带反而被大幅拉长，从而巧妙地将外部压缩力转化为了材料的拉伸形变。这种C2T结构的能量耗散能力，比直接用HED聚合物制成的传统八角晶格结构高出约100倍！研究团队还进一步将这种结构应用于人造椎间盘和低频振动隔离器中，展示了其在生物医学和精密工程领域的应用潜力。
图2. 压缩-拉伸设计，增强在压缩状态下的能量耗散能力
如图3所示，将2D的C2T结构旋转，设计成3D人造椎间盘，它不仅能在承受身体重量（预压缩）时避免横向膨胀，保护脊髓，还能智能地适应不同活动强度：行走（低应变率）时提供适度缓冲，跑步（高应变率）时则变得刚硬以耗散更多能量。在扭转载荷下（模拟转身），它也表现出很好的耗散能力。
图3. C2T结构构建的人工椎间盘的设计与特性表征
如图4所示，利用C2T结构构建振动隔离单元，通过改变结构节数，可以像调音一样精准调节其隔离的振动频率范围（带宽）。将多个具有不同节数的单元组合成一个“超器件”，可以实现更宽频带的振动隔。在一个生动的演示中，该超器件能让乒乓球在150-250 Hz的振动环境中保持稳定，而对照组的乒乓球则不停跳动。
图4. 基于C2T结构的VI半体器件
通讯作者：南方科技大学 葛锜教授、香港大学 陆洋教授
第一作者：香港中文大学 叶海涛博士
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202521393
