同轴NiTi/粘弹性聚合物细丝：实现高阻尼与可调能量吸收的新策略

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Development of coaxial NiTi/viscoelastic polymer filament for enhanced damping and tunable energy absorption capabilities

　　为解决高承载材料阻尼性能不足的难题，研究人员开展了同轴NiTi/粘弹性聚合物细丝的制备与性能研究。通过自研连续共挤装置成功制备出具有核壳结构的复合细丝，系统分析了细丝直径和稀释剂浓度对热机械行为的影响。研究表明该材料在冲击测试中回弹高度降低80%，振动隔离效率达90%，为航空航天、医疗器械等领域的智能阻尼结构设计提供了新范式。

　　

在工程材料领域，高承载能力与优异阻尼性能往往如同鱼与熊掌难以兼得——金属材料虽强度出众却缺乏能量耗散能力，聚合物虽阻尼性能优异却难以承受重载。这种固有矛盾严重制约了航空航天精密仪器减振、医疗器械抗冲击等高端装备的发展。形状记忆合金（SMA）特别是镍钛（NiTi）合金的出现带来了转机，其独特的马氏体相变能有效耗散机械能，但单一NiTi材料的阻尼性能仍难以满足极端工况需求。

近日发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》的研究突破性地提出同轴NiTi/粘弹性聚合物细丝设计方案。吉林大学仿生工程教育部重点实验室团队通过自研连续共挤装置，以NiTi丝为核、紫外固化丙烯酸聚合物为壳，构建出兼具高刚度与高阻尼的智能材料体系。该材料在相变温度附近展现卓越的能量吸收特性，为可编程阻尼材料设计开辟了新路径。

关键技术方法包括：采用自主搭建的连续细丝共挤平台实现核壳结构精准控制；通过差示扫描量热法（DSC）监测相变温度变化；利用动态力学分析（DMA）表征频率/温度依赖的阻尼特性；结合落球冲击实验与有限元仿真验证能量吸收效能；建立振动隔离测试系统量化低频隔振性能。

2.1 细丝制备与材料表征

研究团队开发了集成精密对中模块与张力控制系统的共挤装置，通过可更换多孔板调节涂层厚度，结合全向光固化模块确保界面完整性。截面光学图像显示NiTi丝在聚合物鞘中完美居中，直径变异系数低于5%。DSC测试表明随着细丝直径增大（聚合物比例升高），逆相变峰向高温移动，马氏体相变峰向低温移动，这是聚合物固化收缩对NiTi丝产生残余应力所致。

2.2 细丝直径与稀释剂浓度的影响

DMA测试揭示关键规律：固定丙烯酸酯（AUD）与异冰片基丙烯酸酯（IBOA）比例为1.5:1时，存储模量（E'）随直径增大而降低，损耗因子（tan δ）则显著提升。当细丝直径达1.5mm时，相变区损耗因子出现突增，可能与相变过程中界面脱粘有关。调整AUD:IBOA比例发现，IBOA含量增加会使聚合物弹性模量升高，但损耗因子峰值下降。

2.3 滞后性能分析

在不同加载速率（2-10 mm/min）下的滞后测试表明，细丝直径增大使滞后环面积扩大，证明能量耗散能力增强。速率依赖性在直径2mm细丝中尤为显著，说明聚合物粘弹性主导作用突显。优选直径2mm、AUD:IBOA=1.5:1的配方进行后续实验。

2.4 能量吸收行为验证

通过纵横编织策略构建网状结构，落球实验显示同轴复合网回弹高度最大降低80%，显著优于纯NiTi网和热塑性聚氨酯（TPU）网。在相变峰值温度（A_p=70°C）时冲击加速度比室温降低25%，有限元仿真再现了应力分布与变形行为。

2.5 振动隔离性能

振动传递率测试表明，在3-12Hz低频段隔离效率显著提升，70°C时3-10Hz范围内效率达90%。有限元仿真证实相变温度下共振峰降低，初始隔离频率提高，这种性能可调特性源于NiTi刚度变化与聚合物阻尼的协同作用。

研究结论表明，该同轴细丝通过NiTi相变耗能、聚合物粘弹性阻尼及界面剪切作用的多机制协同，实现了刚度与阻尼的优化平衡。其模块化制备工艺为从实验室走向连续化生产奠定基础，在自适应减振层、智能防护蒙皮等领域具有广阔应用前景。相比传统材料，该体系在保持承载能力的同时将阻尼性能提升至新高度，为高性能能量吸收材料设计提供了范式转移。