来源：“高分子科技”公众号
在户外运动防护、工程建筑和航空航天等领域，材料往往需要同时应对高温、强太阳辐射和机械冲击等多重挑战。然而，传统防护材料难以兼顾冲击防护与热管理需求。例如，聚合物泡沫材料虽然具有轻质隔热优势，但在高能冲击作用下容易发生结构坍塌；而高强度刚性材料虽然具备优异的抗冲击性能，却容易产生热量积聚，影响使用舒适性。大自然为解决这一问题提供了新的设计思路。柚子在从高处坠落时能够有效保护内部果肉，同时在强烈日照环境下维持内部相对稳定的温度，这得益于其由致密外果皮和多孔中果皮组成的天然梯度结构。该结构兼具冲击缓冲和隔热功能，为高性能防护材料的设计提供了重要启发。
鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队受柚子皮梯度层次结构的启发，成功开发了一种新型剪切变硬弹性体/多孔聚二甲基硅氧烷（SSE/PDMS）双层复合材料。该材料结合了PDMS泡沫骨架优异的吸能能力与剪切变硬弹性体的应变率强化特性，实现了结构与功能的协同优化，兼具优异的冲击防护性能、高效热管理能力和良好的结构适应性。
相关研究成果以“Pomelo-inspired shear-stiffening/porous bilayer composites with structural tunability for synergistic impact resistance and thermal management”为题，发表于国际期刊《Composites Part B: Engineering》。论文的第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士研究生聂彤欣，通讯作者为龚兴龙教授和桑敏副研究员。该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助与支持。
【仿生结构材料的设计制备与表征】
本研究采用牺牲模板法与热压复合策略，构建了一种受柚子皮层次结构启发的剪切变硬弹性体/多孔聚二甲基硅氧烷（SSE/PDMS）双层复合材料（图1）。其中，多孔PDMS作为轻质吸能骨架，SSE作为应变率响应功能层。得益于两种材料相似的硅氧烷骨架结构，复合材料表现出优异的界面结合性能，同时兼具良好的柔韧性、可加工性及大尺寸制备能力，展现出良好的工程应用潜力。
图1. 仿生SSE/PDMS复合材料的设计制造与表征
【仿生结构材料的力学性能】
该复合材料表现出优异的弹性恢复能力、能量耗散能力和长期服役稳定性。由于SSE具有显著的应变率响应特性，复合材料在不同加载速率下表现出明显的强化效应，随着加载速率增加，其压缩强度和能量耗散能力同步提升。结合有限元模拟进一步揭示了其协同耗能机制：在压缩初期，多孔PDMS泡沫通过孔壁弯曲与屈曲缓冲外部载荷；随着压缩程度增加，应力逐渐传递至SSE层，实现双层结构的协同承载与高效耗能，从而赋予材料优异的力学性能（图2）。
图2. 仿生SSE/PDMS复合材料的力学性能
【仿生结构材料的冲击防护性能】
在动态冲击防护方面，SSE/PDMS双层复合材料能够有效降低冲击峰值力、延长缓冲时间，并实现高效冲击能量耗散（图3）。其优异的抗冲击性能来源于两种材料的协同作用：在高速冲击过程中，SSE发生剪切变硬并快速增强承载能力，而多孔PDMS泡沫则通过孔壁弯曲、屈曲及塌陷过程持续吸收和耗散能量。进一步研究表明，该复合材料在连续冲击及不同温度环境下仍保持稳定的防护性能，并可通过调控双层厚度比例，实现防护性能的按需调节。
图3. 仿生SSE/PDMS复合材料的抗冲击性能
为验证材料的防护优势，将SSE/PDMS双层复合材料与多种商用缓冲材料进行了对比。如图4所示，该复合材料表现出更低的冲击峰值力和更长的缓冲时间，并在钢球冲击实验中成功保护石英玻璃，展现出优异的实际防护能力。结合压敏膜测试和有限元模拟发现，多孔PDMS泡沫与SSE通过空间应力重分布实现协同峰值力衰减，从而进一步提升材料的冲击防护性能。
图4. 仿生SSE/PDMS复合材料的防护性能验证与机制分析
【仿生结构材料的热防护性能】
在热防护方面，多孔PDMS泡沫凭借低导热特性和优异的太阳辐射反射能力，有效提升了复合材料的热防护性能。结合红外热成像和有限元模拟，进一步揭示了其高效热阻隔机制。在太阳辐射条件下，SSE/PDMS复合材料表现出优异的热防护能力，其背面温度显著降低，为户外防护和热管理应用提供了新的材料方案（图5）。
图5. 仿生SSE/PDMS复合材料的热防护性能
【仿生结构材料的前沿应用：智能穿戴与绿色建筑】
研究团队进一步开发了可穿戴运动护腕和建筑节能屋顶两种应用场景。该运动护腕兼具冲击和隔热防护能力，可有效缓解外部冲击及高低温环境带来的影响；在建筑模型中，该材料展现出优异的抗冲击和太阳辐射防护性能，能够有效降低室内温度，体现出良好的节能应用潜力。此外，该复合材料在高湿、紫外辐照及冷热循环等环境下仍保持稳定的力学与热防护性能，并可通过调控双层结构比例实现防护性能的按需优化，为复杂环境下轻质、多功能防护材料的设计与应用提供了新的思路（图6）。
图6. 仿生SSE/PDMS复合材料在热防护和抗冲击方面的应用前景
【小结】
综上所述，该研究受柚子皮天然梯度结构的启发，构建了一种兼具冲击防护与热管理功能的剪切变硬弹性体/多孔PDMS双层复合材料。高速冲击过程中，剪切变硬弹性体快速硬化提升承载能力，多孔PDMS泡沫通过孔壁屈曲与塌陷持续耗散能量，两者协同实现高效冲击防护；同时，多孔结构与高太阳辐射反射特性赋予材料优异的隔热和热管理能力。通过调控双层厚度比例，可实现力学防护与热管理性能的协同优化。该研究进一步验证了其在可穿戴运动护具和绿色建筑节能领域的应用潜力，为复杂环境下轻质、多功能防护材料的设计与工程应用提供了新的思路。
原文链接：Tongxin Nie, Min Sang, Shilong Duan, Yucheng Pan, Shuai Liu, Jianpeng Wu, Junshuo Zhang, Zimu Li, Yue Yao, Xinglong Gong. Pomelo-inspired shear-stiffening/porous bilayer composites with structural tunability for synergistic impact resistance and thermal management. Composites Part B: Engineering. 2026, 113961. DOI: 10.1016/j.compositesb.2026.113961.
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.113961