纤维增强复合离子凝胶，超强抗裂材料

大家好！今天一起来了解坚韧的纤维增强复合离子凝胶（FRCIs）。它有着让人惊叹的性能，在很多领域都有巨大的应用潜力，快来一探究竟吧！

*本文只做阅读笔记分享*

一、材料设计

FRCIs是由高性能纤维和离子凝胶在模具中制成的。选了由聚（丙烯酸-共-丙烯酰胺）和1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐组成的离子凝胶作为模型，碳纤维因其诸多优点被用作纤维材料。

离子凝胶和碳纤维之间形成了很强的结合力，离子凝胶中的阳离子、阴离子与聚合物链之间有丰富的非共价相互作用，形成了3D超分子网络。

而且，碳纤维表面带负电，离子凝胶前驱体溶液能很好地渗透进碳纤维束，聚合后两者紧密结合，形成强互锁结构。

二、机械性能

FRCIs的优异机械性能得益于碳纤维和离子凝胶间的强粘附力。通过实验测得当离子凝胶为IG-0.85-60%时，它与纤维束的界面结合强度高达4.8MPa，远超离子凝胶本身的断裂强度。

单轴拉伸测试显示，FRCIs的强度、拉伸性和能量吸收能力都比单独的碳纤维织物和离子凝胶强很多。它的弯曲模量比拉伸模量低很多，说明柔韧性好。

撕裂韧性测试发现，随着样品宽度增加，撕裂韧性提高，宽度达到50mm时达到饱和。FRCIs的韧性和抗裂性远超其他凝胶材料，甚至比金属和合金还好，这是因为它有大的能量耗散区域。

三、结构-性能关系洞察

研究发现，离子凝胶和FRCIs的韧性符合经验线性方程，说明离子凝胶的韧性是FRCIs增韧的关键因素之一。

X射线光电子能谱等实验表明，离子凝胶和碳纤维之间有紧密的化学键和离子相互作用，形成了稳定的结构。

而且，离子凝胶在变形时能通过超分子相互作用的解离有效耗散能量，有限元模拟也显示FRCIs的应力分布更分散，这些都增强了FRCIs的抗撕裂能力。

四、电气性能和多功能性

FRCIs不仅机械性能好，还具有高离子电导率、对变形高度敏感的机电响应。

它的GF值在小应变和大应变下分别为382.1和784.6，优于很多柔性离子导电材料。它能实时感知人体关节运动，固定人造骨10000次弯曲后仍保持性能稳定，还能用于机器人关节监测，即使有裂纹也能保护人造骨并感知外部冲击，在可穿戴电子、智能防护和智能机器人领域潜力巨大。

五、坚韧FRCIs的普遍性

为验证这种材料设计策略的通用性，研究人员设计了不同的坚韧离子凝胶并与不同织物复合。像IG-2、IG-3与碳纤维复合，以及用芳纶纤维替代碳纤维得到的FRCI-AF，都展现出高强度、高韧性和低弯曲模量的优良性能，证明了该策略的普遍适用性。

六、一起来做做题吧

参考文献：

Lyu, X., et al. Tough fiber-reinforced composite ionogels with crack resistance surpassing metals. Nat Commun 16, 4005 (2025).