创新点

        本文提出有序三维聚乙烯醇-蒙脱土（PVA-MMT）气凝胶网络增强策略，成功解决聚二甲基硅氧烷（PDMS）力学强度低的关键问题。所制备的复合材料具有不同孔径的三维有序气凝胶网络结构。这种网络结构使复合材料的断裂伸长率达到329.61%（为纯PDMS的 351.06%），拉伸强度达到6.29 MPa（为纯PDMS的414.08%），杨氏模量达到4.67 MPa（为纯PDMS的1620.12%）。由于多孔的气凝胶网络与PDMS之间形成了较强的界面相互作用，且层状的气凝胶网络有效阻碍了裂纹扩展。因此在拉伸过程种耗散了大量的能量，为高性能弹性体复合材料的设计提供理论支撑。

文章概述

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是各种前沿领域不可或缺的弹性材料。因此要求其具有优异的机械性能。传统增强手段多通过引入纳米材料填充，但易出现填料分散不均、取向随机等问题，导致材料局部应力集中、应力传递效率下降，难以实现高性能突破。近年来，冰模板法制备的有序三维气凝胶网络为聚合物增强提供了新思路，但现有研究中，气凝胶网络结构演变与复合材料力学增强的定量关联尚不明确，极大阻碍了材料的实际应用。

基于此，南京工业大学材料科学与工程学院崔升课题组与中国工程物理研究院化工材料研究所联合团队，通过定向冷冻制备了三维有序的PVA-MMT气凝胶网络（图1和2）。并且MIP数据证实了气凝胶壁间距减小，平均孔径从11.53 μm逐步降至2.51 μm（图 3）。

图1  定向冷冻干燥气凝胶的制备过程

图2 不同气凝胶样品的FESEM图像. (a) PVA-MMT气凝胶横截面的FESEM图像; (b) PMa-1, (c) PMa-2, (d) PMa-3, (e) PMa-4, (f) PMa-5 的纵截面FESEM图像

图3 (a) PVA-MMT气凝胶的平均孔径; (b) PVA-MMT气凝胶的比表面积（橙色）与孔隙率（绿色）

通过真空辅助浸渍的方法将PDMS充分浸渍气凝胶网络（图4）。由于气凝胶填充到橡胶中形成了强大的填料-填料网络以及填料-橡胶相互作用，显著提高了复合材料机械性能。断裂伸长率最高达到了329.61%。而拉伸强度的最大值达到了6.29 MPa。杨氏模量与100%模量呈逐步增加的变化趋势（图5）。

图 4 (a)复合材料的制备过程; (b)复合材料的横截面FESEM图像; (c) PMP-1, (d) PMP-2, (e) PMP-3, (f) PMP-4, (g) PMP-5 的纵截面FESEM图像

图 5 (a) 复合材料的拉伸应力应变曲线; (b) 复合材料的拉伸强度（绿色）与断裂伸长率（橙色）; (c) 复合材料的杨氏模量（绿色）与100%模量（橙色）; (d) PMP-3; PMP-5 与其他研究中报道的PDMS复合材料的力学性能对比

本文以“High-performance polydimethylsiloxane composites based on ordered three-dimensional PVA-MMT aerogel network: network structure regulation and mechanical enhancement mechanism”为题，发表在Chinese Journal of Polymer Science ，杨哲煜硕士研究生为该论文的第一作者，南京工业大学崔升教授、中国工程物理研究院刘瑜研究员及朱春华研究员为通讯作者。

Citation:

Yang, Z. Y.; Huang, L. J.; Shao, Z. Q.; Yang, Y.; Cao, X. Y.; Wang, Z. H.; Cui, S.; Zhu, C. H.; Liu, Y. High-performance polydimethylsiloxane composites based on ordered three-dimensional PVA-MMT aerogel network: network structure regulation and mechanical enhancement mechanism. Chinese J. Polym. Sci. 2025. DOI：10.1007/s10118-025-3416-5