硼酸盐驱动异质网络构建高性能多孔弹性体：摩擦学与力学性能的协同提升

本研究针对传统相分离法制备的多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体存在的摩擦学与力学性能不足的问题，提出了一种基于硼酸盐驱动异质网络的新型制备策略。通过硼酸(BA)在相界面的稳定作用，无需表面活性剂即可实现可控相分离，获得纯度高、孔结构精确调控的多孔PDMS。在盐水润滑条件下，材料表现出反常的"腐蚀-润滑"效应，摩擦系数和磨损率分别降低95%和90%以上，同时断裂伸长率可达1250%。该方法的普适性为水润滑部件和柔性传感器的设计提供了新思路。

在工程材料领域，聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体因其优异的化学稳定性和柔韧性，被广泛应用于传感、防冰、防污和耐磨等领域。然而，传统相分离法制备的多孔PDMS弹性体往往面临摩擦学性能和力学性能受限的难题。特别是在水基润滑条件下，疏水性的PDMS摩擦系数高达0.8-1.2，严重限制了其在水润滑部件中的应用。此外，传统的乳液模板法、化学发泡法和粒子模板法等制备方法存在工艺控制困难、缺陷多、杂质残留等问题，进一步影响了材料的综合性能。

为了突破这些技术瓶颈，西安交通大学机械工程学院现代设计与转子轴承系统教育部重点实验室的吴宇豪、秦立国等研究人员在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究，提出了一种硼酸盐驱动异质网络构建多孔弹性体(HNP-PDMS)的新方法。该方法通过硼酸(BA)在相界面的稳定作用，实现了无需表面活性剂的可控相分离，成功制备出具有优异摩擦学性能和力学性能的多孔PDMS材料。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过分子动力学(MD)模拟揭示了S-PDMS与D-PDMS@BA链的不相容性及硼原子的聚集行为；利用小角X射线散射(SAXS)分析了材料在拉伸过程中的分子链取向和回转半径(R_g)变化；通过扫描电子显微镜(SEM)和共聚焦激光扫描显微镜观察孔结构形貌；采用球-盘摩擦试验机评估材料在盐水润滑下的摩擦学性能；通过单轴拉伸和压缩试验测试力学性能。

相分离机制

研究人员通过分子动力学模拟发现，S-PDMS与D-PDMS@BA的溶解度参数差异大于0.5，表明两者不相容。硼酸盐基团与硅氧烷主链之间的排斥作用促进了相分离，硼原子在3-18Å范围内的聚集进一步证实了这一点。在-0.1MPa真空条件下，通过旋节线分解机制形成了微球和液相分离结构，硼酸盐在相界面起到稳定作用。

小角X射线散射分析

SAXS分析显示，所有样品在散射矢量q≈0.08 nm^-1处出现特征峰，对应78.5nm的微相分离周期。Porod曲线在高角区的正偏差表明相界面存在扩散过渡层。Guinier分析表明材料属于球形多分散体系，HNP-PDMS@BA的回转半径大于S-PDMS，说明去除的D-PDMS@BA网络与短S-PDMS分子链存在纠缠。

形貌与孔结构调控

通过调节固化温度和压力(-0.1~0MPa, 25-185°C)，实现了对孔结构的精确控制。高温加速D-PDMS@BA扩散形成不规则孔，高压压缩导致孔径减小(5.16-1.16μm)。HNP-PDMS@BA具有微球空腔和互穿微纳通道结构，对甲基硅油的吸收率稳定在30-50%。

摩擦学性能

在盐水润滑条件下，HNP-PDMS@BA表现出反常的"腐蚀-润滑"现象。当以GCr15为摩擦副时，电化学腐蚀产生的纳米簇磨损碎片被孔隙捕获，表面由疏水变为亲水，润滑膜增厚，实现边界润滑向混合润滑的转变。摩擦系数和磨损率分别低至0.05和2.72×10^-5mm/Nm，较S-PDMS降低95%和90%以上。

力学性能增强

通过引入苯环等疏水基团，利用π-π相互作用显著提升了材料韧性。HNP-PDMS@bPdBA的拉伸模量可达2MPa，断裂强度5.4MPa，韧性8MJ/m³，断裂伸长率高达1250%。压缩模量在0.25-1.25MPa范围内可调，表现出优异的力学性能可控性。

应用拓展

该方法成功应用于Ecoflex、DC170、DC527和RTV615等多种硅基材料，制备的多孔弹性体均表现出力学性能增强。通过添加碳纤维制备的HNP-PDMS@C导电材料(电阻<1kΩ)，可作为仿生机器人手的柔性传感器，实现力和材料的识别。

该研究通过硼酸盐驱动异质网络的设计，实现了多孔PDMS弹性体摩擦学与力学性能的协同提升，打破了传统多孔材料性能受限的瓶颈。独特的"腐蚀-润滑"现象为水润滑部件设计提供了新思路，而优异的力学可控性和普适性则展现了该方法在柔性传感等领域的广泛应用前景。这项研究不仅为高性能多孔弹性体的设计提供了新范式，也为功能化聚合物材料的开发开辟了新途径。