高性能聚合物材料在汽车工程、航空航天、鞋类、生物医学器件等领域已获广泛应用，并在软体机器人、智能纺织品、人工肌肉等新兴方向展现出重要潜力。这类材料通常需兼具高刚度、高强度、高韧性和优异拉伸性，以应对复杂形变与动态载荷。然而，传统聚合物面临固有性能冲突：玻璃态塑料虽刚度高（~1 GPa）但脆性大、延展性差（应变<20%），弹性体虽柔韧可拉伸但模量和强度不足，单一材料难以兼顾。近年来，利用层级非共价相互作用构建能量耗散网络已在增韧方面取得突破，但这类材料往往依赖复杂分子设计和多步合成工艺，能耗高、耗时长，严重制约规模化应用。因此，如何在快速、绿色制备前提下实现刚度、韧性与拉伸性的协同提升，仍是材料设计领域的核心挑战。

  基于此，燕山大学秦志辉、焦体峰教授团队联合天津大学李俊杰教授团队，提出一种快速制备高性能聚合物的新策略。通过紫外光引发共聚，将带有柔性侧链的丙烯酸羟乙酯（HEA）与丙烯酰胺（AAm）结合，在使用极少量交联剂和引发剂条件下，构筑了兼具高密度侧链氢键和高度链缠结的聚合物网络。这种结构既赋予材料高刚性和高强度，又通过柔性侧链氢键的可逆断裂与链段运动，实现大变形下的持续能量耗散。所得P(HEA₄-co-AAm)聚合物杨氏模量达515 MPa，韧性达135.7 MJ/m³，断裂应变达400%，且加热后能快速恢复原状。该材料在紫外引发下快速固化（~42 s），支持3D打印和光掩模加工，并具备形状记忆、抗冲击保护及强粘附性能，为高性能结构材料的快速绿色制造提供了新思路。

  2026年8月21日，相关成果以“Rapid fabrication of stretchable, ultratough, and rigid polymer materials”为题发表在国际著名期刊《Science Advances》上。燕山大学环境与化学工程学院硕士生乔宇轩为文章第一作者，燕山大学秦志辉、焦体峰教授及天津大学李俊杰教授为共同通讯作者。此研究得到国家自然科学基金和河北省自然科学基金（青年基金A类、面上项目）等资助支持。

图1 高刚度高韧性P(HEA_x-co-AAm)聚合物材料的合成与基本性能。

  研究团队采用一步紫外光固化工艺，将HEA和AAm与极少量交联剂、光引发剂混合后，在紫外灯照射下，仅需约42秒即可固化成型。在此过程中，单体间的强分子间作用力有助于聚合过程的快速进行，而聚合过程中的自动加速效应和反应放热则进一步加快固化速度，三者协同实现了超快制备。所得材料内部含有大量柔性侧链，侧链间密布的相互作用力形成可逆的“牺牲键”，在受力时优先断裂以吸收能量；同时，长链分子之间高度缠绕，既限制了链段运动赋予材料高刚性，又允许链段在大变形时舒展和重排，从而在同一材料中同时实现高刚度、高强度、高韧性和高拉伸性的统一。

图2 P(HEA_x-co-AAm)聚合物的力学性能及其增韧机制。

  系统考察了单体配比对材料力学性能的影响，发现随着HEA比例降低，材料逐渐从柔软高拉伸向高刚度转变，在最优配比下实现了刚度、强度、韧性和拉伸性的优异平衡。为进一步揭示机理，团队通过变温红外分析发现，材料内部的氢键相互作用随温度升高而逐步减弱，且不同类型的氢键具有不同的热稳定性，其中部分氢键对温度更敏感、优先解离，证实了氢键网络存在层级结构。他们还设计了两种对比体系进行验证：一种缺少柔性侧链，所得材料虽刚但脆；另一种侧链虽柔性好但缺少羟基，所得材料柔软且强度不足。这一对比充分说明，兼具柔性侧链和密集氢键网络的结构设计是实现刚韧并济的关键，印证了上述增韧机制。

图3 P(HEA₄-co-AAm)聚合物的增韧机理。

  通过对拉伸过程中的结构演化分析，揭示了材料刚韧并济的内在机制。拉伸可分为四个阶段：初始弹性变形阶段，密集氢键与链缠结赋予高刚性；屈服和颈缩阶段，表面出现微褶皱并伴随应力发白，链段开始舒展；塑性流动阶段，微褶皱逐渐发展，氢键持续断裂耗散能量；最后是应变硬化阶段，微褶皱局部断裂形成微裂纹，直至材料失效。光谱分析表明，拉伸时不同类型的氢键呈现层级化解离，部分优先断裂以耗能，部分保持稳定以维持网络完整。柔性侧链的构象转变进一步促进链段重排。这一演化过程完整阐释了材料刚韧并济的科学根源。

图4 构建高刚度超韧性聚合物材料的通用策略。

  此外，研究团队还进一步验证了该策略的普适性。他们将AAm替换为其他丙烯酰胺类单体（如NIPAM和DMAAm），并将HEA替换为其他羟基丙烯酸酯类单体（如HBA和HPA），在各自最优配比下所得材料均兼具高刚度和高韧性。通过系统对比发现，通过调节丙烯酰胺单体上的取代基可直接影响强度与模量，而调整羟基丙烯酸酯单体中柔性链段的长度，则可调节侧链运动能力，进而影响拉伸性能。这揭示了分子结构调控与宏观力学性能之间的内在关联，为按需设计高性能聚合物材料提供了明确指导。

图5 增材制造、制动器、抗冲击等功能特性与潜在应用。

  最后，研究团队进一步探索了该材料的应用潜力。凭借超快固化特性，材料可通过光固化3D打印构建复杂结构；其形状记忆功能可用于热响应驱动；抗冲击性能优于常用泡沫材料；表面丰富的羟基赋予其对多种基材的强粘附性。这些特性使其在智能驱动、柔性防护和结构粘接等领域展现出广阔应用前景。

  原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb4391