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离子导电材料（ICMs）因韧性和抗裂性受限影响应用。研究人员制备了纤维增强复合离子凝胶（FRCIs）。结果显示，FRCIs 韧性、强度等性能优异，远超多数凝胶材料和金属，在智能机器人等领域潜力巨大。
在材料科学的广阔天地里，离子导电材料（ICMs）就像一群怀揣着巨大潜力的 “潜力股”，凭借着良好的机械和电学性能，在诸如软机器人、柔性离子传感器、可穿戴设备等前沿领域崭露头角。然而，它们却被一个棘手的问题所困扰 —— 有限的韧性和抗裂性。这一问题源于能量耗散区的尺寸受限，直接影响了材料的可靠性和耐久性，就像是给这些材料的发展之路设置了一道难以跨越的障碍。
为了攻克这一难题，福州大学材料科学与工程学院先进材料技术重点实验室等研究机构的研究人员展开了深入研究。他们成功制备出了具有抗裂性能的坚韧纤维增强复合离子凝胶（FRCIs），这一成果发表在《Nature Communications》上。该研究成果意义重大，为解决离子导电材料的性能瓶颈问题提供了新的方向，有望推动软机器人、智能织物和可穿戴设备等领域的发展。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是通过多种材料表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）、X 射线光电子能谱（XPS）等，对材料的微观结构和成分进行分析；二是利用力学测试实验，像单轴拉伸试验、裤形撕裂试验、三点弯曲试验等，来测定材料的各项机械性能；三是借助分子动力学模拟和有限元建模（FEM），从理论层面深入探究材料的结构 - 性能关系以及增韧机制。
材料设计
研究人员选用由聚（丙烯酸 - 共 - 丙烯酰胺）（P (AA - co - AAm)）和 1 - 乙基 - 3 - 甲基咪唑三氟甲磺酸盐（[EMIM][OTf]）组成的离子凝胶作为模型离子凝胶，并以碳纤维（CF）作为增强纤维。通过控制单体比例和离子液体含量，可形成具有不同性能的离子凝胶和 FRCIs。红外结果表明离子凝胶内部存在丰富的非共价相互作用，形成了 3D 超分子网络。CF 表面带负电，离子凝胶前驱体溶液能很好地浸润 CF 织物，聚合后二者形成强互锁结构，使 FRCIs 兼具高韧性和良好的变形能力。
机械性能
研究人员通过单轴拉伸试验、裤形撕裂试验等多种力学测试方法，对 FRCIs 的机械性能进行了全面研究。结果显示，FRCIs 具有优异的机械性能，其拉伸强度、撕裂韧性和拉伸模量远高于大多数代表性的韧性凝胶材料，甚至比金属和合金还要高。例如，FRCI - 0.85 - 60% 的拉伸强度达到 315MPa，撕裂韧性高达 2278kJ/m2 。其高韧性源于离子凝胶与 CF 之间的强界面结合，在受力时，离子凝胶可通过剪切变形将力从断裂纤维传递到相邻纤维，形成较大的过载区域，从而提高材料的强度和韧性。
结构 - 性能关系
通过研究离子凝胶与 FRCIs 的韧性关系，发现二者符合经验线性方程，表明离子凝胶的韧性是 FRCIs 增韧的关键因素之一。XPS 等测试结果表明，离子凝胶与 CF 之间存在紧密的化学键合，形成了 3D 超分子网络和强界面结合。在变形过程中，离子凝胶通过超分子相互作用的解离有效地耗散能量，进一步增强了 FRCIs 的抗撕裂性能。有限元模拟结果也显示，FRCIs 在撕裂过程中应力分布更均匀，相比 PDMS/CF，其裂纹扩展需要更高的能量。
电性能和多功能性
FRCIs 不仅具有出色的机械性能，还具备高离子电导率和灵敏的机电响应。其电阻随应变增加而迅速增大，可作为应变传感器感知外部刺激，GF 值在小应变和大应变下分别为 382.1 和 784.6 ，优于目前报道的大多数柔性离子导电材料。此外，FRCIs 具有良好的生物相容性、耐久性和疲劳抗性，在 10000 次弯曲循环后仍能保持性能稳定，可用于固定人造骨，并在机器人关节传感等方面展现出巨大潜力。
坚韧 FRCIs 的通用性
为验证该研究策略的通用性，研究人员设计了不同的坚韧离子凝胶，并与不同织物复合。结果表明，如 FRCI - CF2、FRCI - CF3 和 FRCI - AF 等复合材料均表现出与 FRCI - 0.85 - 60% 相似的优异机械性能，证明了这种协同增韧策略具有普遍适用性，可定制出高韧性的 FRCIs。
在研究结论和讨论部分，研究人员成功制备出的 FRCIs 具有高韧性、高强度、高模量和良好的柔韧性，填补了软凝胶材料和传统刚性材料之间的性能差距。其离子导电性能使其对变形具有快速响应和高灵敏度，在固定人造骨和抗冲击保护等实际应用中表现出色。这项研究提出的通用策略为开发高韧性和多功能复合离子凝胶提供了新途径，对推动软机器人、智能织物和可穿戴设备等领域的发展具有重要意义，有望为相关领域带来新的突破和变革。
