北京化工大学弹性体中心2025年12月研究成果展示
2026-01-083
北京化工大学先进弹性体材料研究中心在中国工程院院士张立群教授带领下，围绕能源、资源、环境、生命健康等领域的重大需求和传统橡胶产业的技术升级，从基础科学研究、关键技术创新和重大工程应用等方面展开全链条研究，培养高水平创新人才，推动弹性体材料领域基础科学和技术水平的提高。
面对弹性体材料日新月异的快速发展，为更好地促进橡胶行业的科技进步，中心特推出重要研究成果展示栏目，与同行共勉。本期展示的主要成果如下：
01 生物基弹性体在生物医用领域最新研究进展的总结与分析
在过去的20年间，为了减少碳足迹和人类对化石燃料的依赖，生物基聚合物的研究近年来取得了井喷式增长。其中，生物基弹性体因其独特的粘弹性和柔软性而备受关注。与传统石油基聚合物相比，生物基弹性体具有两大显著优势：可持续性和独特的化学结构。生物基弹性体独特的化学结构赋予材料优异的生物活性、生物相容性和生物降解性等，这些特性在生物医用材料设计中具有优势。目前，全球科学研究者正积极投身于生物弹性体的开发并应用于生物医用领域，推动相关技术的持续突破与创新。
https://doi.org/10.1002/adma.202417193
近日，北京化工大学张立群院士、刘庆生教授、王润国教授和华南理工大学王朝教授等以生物基小分子和生物基聚合物为出发点，重点分析了生物基弹性体的分子设计、合成策略与机械性能，深入讨论了生物弹性体在发展过程中面临的挑战与未来的发展趋势，推动生物基弹性体领域的发展。该成果以“Bio-Based Elastomers: Design, Properties, and Biomedical Applications”为题，发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上。该工作聚焦生物基弹性体在免疫调节、生物相容性与生物降解性方面的性能优势，系统分析其在伤口敷料、心血管修复、神经修复、骨组织工程及生物传感器等生物医学领域的应用进展（见图1）。生物基弹性体材料主要分为两类：合成型弹性体基于动植物源小分子单体（二胺/二酸/二醇等）聚合制备，以聚酯/聚氨酯/聚酰胺为代表，通过分子结构优化与合成策略改进显著提升力学性能、生物相容性及可降解性；复合型弹性体则以天然生物聚合物（纤维素/木质素/蚕丝/DNA）为基质，经接枝共聚、交联或复合策略构建，其独特分子构象对机械性能增强起关键作用。在媲美石油基材料力学性能的基础上，生物基结构单元赋予弹性体材料显著功能优势：优异的生物相容性、生物可降解性、免疫调节能力及抗菌性能等。在新兴的医学技术中，生物传感器能够实时监测人体生物信号，有效提升诊断、监测、治疗及预后管理的效率和精准度而备受关注（见图2）。例如，基于PGS/POMaC双材料体系的无线动脉监测传感器：PGS压敏层（高弹性模量≈动脉）实时检测血管膨胀，POMaC界面层（超软特性）实现血管零损伤接触，显著提升血流动力学监测效率。生物基弹性体作为下一代材料展现了广泛的应用潜力。这项工作得到了国家自然科学基金重点项目（52341301，52073011，52373276，52221006，51988102）和中央高校基本科研业务费专项资金（buctrc202318）的支持。
02 可用于柔性可穿戴电子的新型高伸长率、自修复聚氨酯：通过可调微相分离实现强韧与低温自愈的协同设计
随着可穿戴电子、软体机器人以及智慧健康监测技术的迅速发展，核心材料正朝着高伸长率、高韧性、皮肤匹配模量、自愈能力、耐水耐汗及长期稳定性等多性能并重的方向演进。然而，传统弹性体通常面临强度与伸长率难以兼顾的矛盾，同时多数自修复材料需要高温才能恢复性能，难以满足人体皮肤温度附近（约36 °C）的工作条件。因此，开发一种兼具超高拉伸性、优异韧性、体温附近自修复能力与环境稳定性的新型聚氨酯材料，是柔性电子领域亟需解决的重要问题。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110908
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心张立群教授、秦璇教授、博士生田语舒等提出一种基于可调控微相分离结构的新型高性能聚氨酯设计策略，成功研制出一种超拉伸、高韧性、可低温自愈的聚氨酯弹性体（HTPB-PU）。相关成果以 “Ultra-stretchable, tough, and self-healing polyurethane with tunable microphase separation for flexible wearable electronics” 为题，发表在国际知名期刊《Nano Energy》上。该研究围绕“如何在柔性电子材料中同时实现高伸长率、强韧性与低温自愈”这一核心难题，构建了以微相分离精准调控为基础的聚氨酯结构设计体系。团队通过调节动态二硫键含量与氢键自组装行为，系统研究了聚集态结构的形成机制，以及微相分离程度对材料力学、自愈与稳定性等性能的影响，同时揭示了不同HEDS/DTO比例对硬段聚集程度、微相界面过渡与动态键重排的影响及其在提升材料强韧性、自愈合性能中的关键作用，如图3所示。基于该策略构筑的HTPB-HEDS0.8-DTO0.2弹性体在强度、断裂伸长率与柔韧性之间取得了优异平衡。相较传统聚氨酯体系，该材料在不牺牲弹性的前提下实现了高达2180%的断裂伸长率、42.8 MJ·m-3的韧性，其杨氏模量（约110 kPa）与人体皮肤相近，可承受自身质量16666倍的拉伸负载。在36 °C条件下材料即可实现高效自愈；在水、汗液、PBS、酸碱等环境中浸泡30d后仍保持稳定，展现出突出的环境耐受性，如图4所示。研究团队还进一步将HTPB-HEDS0.8-DTO0.2与液态金属结合，开发出三明治结构的柔性拉伸传感器。该传感器可实现大范围应变检测，并成功应用于脉搏波、喉部发声及关节运动等多类生理信号监测。该策略具有设计简洁、可扩展性强、性能可调等优势，为柔性传感器、电子皮肤和可穿戴设备提供了重要的材料基础与结构调控思路。
图3 HTPB-PU的微相结构、强韧性能及自愈合性能
图4 HTPB-PU的微相结构设计、综合性能优势与可穿戴应用性能示意
03 可逆互穿双动态网络：赋能高性能、自修复与可回收弹性体
传统弹性体存在两大核心局限：一是损伤后性能不可逆劣化，限制长期使用寿命；二是废弃弹性体回收率低，引发环境与经济问题。双网络（DN）材料通过整合两种不同特性的聚合物网络，可以实现力学性能提升与功能创新，但其聚合方式（同步聚合或分步聚合）仍无法解决固有矛盾——依赖弱非共价键时力学稳定性不足，依赖强共价键时又缺乏动态重构能力，且多数DN材料的增韧机制源于高密度交联网络的不可逆键断裂，导致重复载荷下结构完整性受损，难以实现回收与可持续利用。将动态共价键（DCBs）引入双网络体系（即双动态网络，DDN）为高性能材料研发开辟了新方向。DCBs驱动的拓扑重排可促进两个网络的互穿，进而提升力学性能与网络稳定性，目前已有多种实验策略（如正交动态键分步聚合、溶剂辅助互穿）验证了DDN构建的可行性。
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111376
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心刘军教授、张玮峰副教授和赵恒恒博士等提出“可逆互穿双动态共价交联网络（DDN）”设计的理论模拟方法，为新型弹性体赋予高性能、自修复与可回收能力。相关成果以“Reversible interpenetration enables mechanical robust, self-healable and recyclable double covalent adaptable network elastomers”为题发表在国际期刊《Nano Energy》上。该工作研究核心围绕两大目标展开：（1）对比单动态网络（SDN）与DDN的结构及性能差异；（2）探究双网络中第一网络（DDN_1）和第二网络（DDN_2）的交联密度差异对网络结构与力学性能的影响，最终为高性能、自修复、可持续聚合物材料设计提供分子层面的理论支撑（如图5所示）。研究发现，DDN的互穿结构形成有效物理缠结：拓扑复杂度升高使拓扑冻结转变温度上升，局部结构异质性则让玻璃化转变温度略低于SDN。动力学方面，DDN异质性更强，分子流动性、键交换效率减弱，链段松弛受阻。力学性能方面，如图6所示，低键交换能垒时，DDN单轴/三轴拉伸呈“1+1>2”协同效应，韧性提升；高能垒下不可逆键断裂主导，协同效应减弱，交联密度差异适中的DDN高应变下性能最优。功能上，低能垒时DDN自修复效率优异，高能垒则下降；调控网络间非键相互作用可实现解互穿/再互穿，具备闭环可回收性。这项工作得到了国家自然科学基金（52373222）、北京市自然科学基金（2252047）和国家自然科学优秀青年基金（52122311）等项目的支持。
图5 单动态交联网络（SDN）和双动态交联网络（DDN）结构示意图以及互穿-解互穿结构示意
图6 SDN与DDN的力学性能对比：（a）低势垒体系；（b）低势垒体系；（c）高势垒体系的非等体积应力-应变曲线；（d）高势垒体系的分子链取向度、不可逆断键数和耗散功；（e）韧性对比；（f）拉伸过程分子链示意；（g）自愈合效率04 电子断层扫描技术揭示纳米尺度下二氧化硅/橡胶纳米复合材料的界面相互作用、三维分散结构对宏观粘弹性的影响机理
二氧化硅/溶聚丁苯橡胶纳米复合材料是高性能新能源汽车轮胎的关键基础材料，其中二氧化硅与溶聚丁苯橡胶的界面相互作用以及二氧化硅在橡胶中的分散结构是决定复合材料宏观性能的重要因素。传统的电子显微镜表征受限于其二维平面成像，无法真实展现填料的三维分散结构，使得“界面相互作用-填料分散和网络结构-宏观性能”之间的完整构效关系难以建立，因而难以实现材料性能精准设计与调控。因此，定量表征纳米尺度下二氧化硅的三维分散结构对于设计高性能橡胶纳米复合材料至关重要。
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https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111311近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心田明教授、宁南英教授、李相妍博士和博士生刘鑫阳（共同第一作者）等利用电子断层扫描技术对二氧化硅/溶聚丁苯橡胶复合材料纳米尺度下的三维分散结构进行了定量表征，并探讨了界面相互作用、三维分散结构以及宏观粘弹性的构效关系。相关成果以“Electron tomography as a structural bridge: Linking interfacial engineering to macroscopic viscoelasticity in silica/rubber nanocomposites”为题发表在国际知名期刊《Composites Science and Technology》上。本工作聚焦二氧化硅/溶聚丁苯橡胶纳米复合材料，采用硅烷偶联剂Si747对二氧化硅与橡胶的界面相互作用进行调控，原子力显微镜的结果显示，随硅烷偶联剂Si747接枝度提高，界面厚度从19.5nm增至31.0nm左右。采用电子断层扫描技术定量表征了二氧化硅团聚体的三维分散参数（致密性、支化度和连通性），从图7-8发现随着接枝度提高，二氧化硅的分散结构呈现两个演变阶段：低接枝度（0%~5%）时，二氧化硅团聚体致密度下降26%，但团聚体的支化度以及团聚体之间的连通性提升，此时能量损耗以填料网络破坏为主；高接枝度（5%~15%）时，团聚体逐渐解体，孤立的原生颗粒数目增加67%，界面相互作用提升导致界面厚度增加，能量损耗转向由界面层（界面摩擦）主导。这项工作揭示了通过调控界面相互作用可优化填料的三维分散与网络结构，进而调控宏观粘弹性，为高性能绿色轮胎材料的设计提供了理论基础。该工作得到了国家自然科学基金项目（52127804和52203079）的支持。
图8 二氧化硅/溶聚丁苯橡胶复合材料的界面、三维分散结构与粘弹性的构效关系
05 先进热管理镀银用相变微胶囊多功能硅橡胶复合材料的制备及其性能研究
随着现代科技的不断发展，各种电子设备、能源系统以及工业生产中的热管理需求日益突出。传统的热管理材料在高温、高能耗等方面存在一定局限性，因此迫切需要开发出新型高效环保的热管理材料。此外，随着5G和6G通信技术快速发展，包含通信基站、智能无线设备和通信设施等在内的电子设备迭代更新加快，电磁干扰引起的信息误差和电磁波引起的身体健康逐渐增多。在此机遇下，吸波材料在军用和民用领域方面应用越来越广泛，其原理为将入射电磁波转化为热量吸收从而消耗或转化为其他形式能量。由于器件内部空间有限，耗散的电磁波能量同样可能导致热量积聚，影响器件运行性能。因此，具有导热-吸波双重作用的复合材料成为目前热管理材料设计的性能目标之一。文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111052近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心卢咏来教授、北京林业大学李京超副教授、博士生聂振旭等实现了通过对银包覆相变微胶囊多功能热界面弹性体复合材料的制备并对其性能进行研究。相关成果以“Preparation of multifunctional silicone rubber composites with silver-coated phase change microcapsules for advanced thermal management”为题发表在国际知名期刊《Composites Science and Technology》上。在本工作中，利用Pickering乳液法合成了核壳结构的正二十二烷氧化石墨烯相变微胶囊D-GO并在表面镀银制备D-GO@Ag微胶囊，并以此为填料制备热界面复合弹性体，制备过程如图10所示。通过扫描电子显微镜可以观察到弹性体基体内部完好的球状结构，说明制备成复合材料后微胶囊保持良好的形貌。此外复合材料具有良好的防泄露性能，导热能力（0.6 W·m-1·K-1）以及优秀的吸波性能（21.9 dB）和1.806 GHz的有效吸收带宽。从图10可以看到相变热界面复合材料有效的降低器件的工作温度，同时也降低了热冲击对材料的影响。这项研究制备了一种具有良好热管理能力同时兼具吸波能力的热界面弹性体复合材料，对于减小电子元件受到的热冲击有良好的应用前景。该工作得到了国家自然科学基金青年基金（52103072）、北京市自然科学基金（2222068）和广东省重点领域研发计划（2024B0101040003）的支持。
图9 （a）相变热界面复合材料的制备过程；（b）微观形貌；（c）泄露率曲线；（d）热导率；（e）吸波性能
图10 相变热界面材料热管理性能演示：在180 s（加热）和360 s（冷却）捕获的相应热红外图像
合理、可靠的橡胶超弹性本构模型（Hyperelastic constitutive model，HCM）是复杂工况下橡胶制品可靠性分析及结构优化中实现高精度数值模拟的关键。超弹性本构模型参数的准确标定离不开等双轴拉伸（Equibiaxial tension，ET）状态下的实验数据。然而，目前为止，国际标准化组织（ISO）及国家标准体系中尚未建立针对橡胶ET试验的统一规范；此外，现有公开文献对ET试验方法的设计理念缺乏系统性阐述，使得实验数据与有限元结果的映射关系存在偏差。因此，建立不同橡胶ET试验方法的综合评估体系，明晰试样几何参数、应变标定区域及应力承载区域面积等关键因素对测试结果的影响，已成为提升橡胶制品有限元分析精度的迫切需求，同时对ET国家标准制定具有积极的推动作用。文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.polymer.2025.128256.近日，北京化工大学北京化工大学先进弹性体材料研究中心张立群院士、刘力教授、李凡珠副教授以及博士生张强基于有限元法对方形、十字形-Ⅰ、十字形-Ⅱ和圆形4种经典的等双轴拉伸样品（见图11）进行了全面对比研究并探讨了其针对橡胶材料的适用性。该成果以“How to effectively perform equibiaxial tension for rubber materials?”为题，发表在国际知名期刊《Polymer》上。图11 4种特定样品最大名义主应变云图：(a) 正方形样品；(b) 十字形-I样品；(c) 十字形-II样品；(d) 圆形样品
该工作基于ET测试面临的基本挑战：（i）如何选择合适的橡胶试样形状和尺寸（方形、十字形-I、十字形-II和圆形）？（ii）如何通过光学引伸计或数字图像相关技术确定合理的应变标定区域？（iii）如何确定公称应力求解中的承载区域？通过不同橡胶材料的实验数据，验证了方形和圆形试样均匀等双轴应变标定区域和精确应力标定区域的合理性（见图12），也表明这两种测试方法在橡胶材料的ET测试中具有更大的优势。本工作为橡胶材料ET试验方法的选择和优化提供了理论支撑。该工作得到了国家自然科学基金项目（52473228）的支持。图12 (a)4种样品等双轴应变标定区域对比；(b) 不同承载区长度下正方形样品的名义应力-名义应变模拟结果与Treloar实验数据的对比；(c)不同承载区直径下圆形样品名义应力-名义应变模拟结果与Treloar实验数据的对比
07 氢键数量与强度对聚合物断裂性能的影响及分子机理
传统橡胶材料的交联网络虽然能提高材料的机械性能和热稳定性，但也会使材料丧失二次加工的能力。采用非共价交联的方式是解决这一问题的重要方法。氢键是构架非共价交联体系最常用的一种物理相互作用。目前，氢键交联网络已被广泛用于可回收、自愈合、高强高韧弹性体的设计和制备研究中。然而，由于氢键网络和链构象的演变过程很难通过实验设备来表征，目前对含氢键聚合物断裂性能的分子机制仍未深入了解。采用分子模拟方法研究含氢键聚合物断裂性能的影响及分子机理具有重要意义。文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.4c03879近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心赵秀英教授、刘力教授、高洋洋教授、硕士生王永乐等采用分子动力学模拟研究了接氢键数量和强度对缔合氢键聚合物（AHBP）断裂性能的影响及微观机理。该工作以“Influence of Number and Strength of Hydrogen Bonds on Fracture Property and Microscopic Mechanisms of Associative HydrogenBonded Polymers via Molecular Dynamics Simulation”为题目发表在高分子领域期刊《Langmuir》上。该工作构建了自缔合氢键交联网络聚合物模型（图13）并采用AHD三体相互作用描述氢键相互作用。首先，采用对模拟体系进行三轴拉伸变形，结果表明AHBP断裂韧性在活性基团数为中等时最大。通过对拉伸过程进行应力分解发现随着氢键数的提高，最大应力有所提高，而伸长率有所降低。同时，采用氢键的断裂数和能量衰减来描述氢键网络的断裂过程，发现单个氢键的强度随着应变先降低后上升。表明在低应变下，更多的强/中等强度氢键被破坏；而在大应变下，更多的弱氢键被破坏，部分强/中等强度氢键被恢复。此外，氢键的吸引力会诱导簇的形成，簇充当物理交联，其演化过程可通过氢键簇的数量和大小继续进行了量化。链结构随应变的变化通过计算取向度和非球型因子表征，发现链结构受到氢键网络的显著影响。随后，通过计算Voronoi体积的方法表征了孔洞体积和数量的变化以量化孔洞成核和生长过程并分析了局部模量与孔洞成核位置的关系（见图14）。发现聚合物区域的局部弹性模量低于氢键区域，从而产生90%以上的空隙。最后，研究了氢键强度对AHBP的断裂行为的影响，发现由于强氢键网络导致更大的断裂韧性。这项全面的研究阐明了AHBP断裂韧性的分子机制，可在中等数量的高强度氢键下形成高断裂韧性的氢键交联网络材料。本项目得到国家自然科学基金（52250357，52473068和52373084）的支持。
图14 （a）氢键基团与局部模量的对应关系；（b）主链和氢键珠子产生孔洞的概率
08 填料表面取向度与粗超度对硅橡胶复合材料导热性能及机制的分子模拟研究
随着电子设备功率密度不断提升，高效散热成为保障稳定运行的关键。聚合物基热界面材料因柔性和易加工性备受青睐，但其固有低热导率限制了应用。为提升性能，研究者常添加石墨烯等高导热填料，然而填料与基体间的界面热阻成为瓶颈。除填料种类和含量外，填料表面取向、粗糙度等界面特性对热导率同样具有显著影响。然而，现有研究多聚焦于填料含量和界面结合强度等因素，对表面形貌参数的调控机制研究仍显不足。文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpcc.5c03756近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心张立群院士、高洋洋教授，航天材料及工艺研究所张继华研究员，硕士生胡邹檬等采用分子动力学模拟研究了石墨烯表面取向和粗糙度对聚二甲基硅氧烷复合材料热导率的影响。该工作以“Influence of Surface Orientation and Roughness of Stacked Graphene on Thermal Conductivity of Poly(dimethylsiloxane) Based Composite: A Molecular Dynamics Simulation”为题，发表在高分子领域代表性的期刊《The Journal of Physical Chemistry C》上。在这项工作中，作者首先构建了具有不同取向角的分子模型（如图15），通过非平衡分子动力学米研究发现当石墨烯片层与热流方向的夹角从0°增加到90°时，界面热导率降幅高达62.3%，相当于下降了约2.65倍。通过进一步分析界面原子相互作用，发现界面相互作用能与热导率之间存在完美的线性关系。在表面粗糙度影响机制研究方面，作者构建了9种不同振幅和波长的正弦波纹模型。模拟焦国标敏，增大振幅或减小波长均能显著提升界面热导率。这种提升主要源于3个机制：一是粗糙结构增加了实际接触面积，为声子传输提供了更多耦合通道；二是粗糙界面显著增强了PDMS与石墨烯的相互作用能，有效降低了界面热阻；三是粗糙结构改变了声子的振动模式，通过振动态密度分析发现，粗糙表面诱导声子振动从高频向低频转变，这种转变大幅提升了界面声子耦合效率（如图16）。为了更全面地理解石墨烯表面取向和粗糙度对热导率的影响，作者使用了有效介质近似模型，对复合材料的热导率进行了量化分析。研究结果表明，当石墨烯的取向角度增大时，复合材料的热导率几乎减少了38%。相反，增加石墨烯的表面粗糙度则使复合材料的热导率提高了20%~70%。这一结果表明，通过优化石墨烯的表面粗糙度和取向角度，可以显著提升复合材料的热导率。本项目得到国家自然科学基金（52473068和52250357）的支持。
图16 （a）石墨烯沿传热方向的振动态密度；（b）相关因子S的函数
来源：橡胶工业传媒
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