1. 剪切变硬材料的实验测试与理论建模

围绕剪切变硬材料在复杂载荷环境下的力学性能测试需求，系统构建了覆盖多应变率梯度的综合实验表征平台，涵盖准静态裂纹扩展、中应变率落锤冲击、高应变率模拟弹道冲击以及分离式霍普金森压杆（SHPB）冲击实验，实现了该类材料在多加载速率和多载荷模式下动态力学行为的精确表征。为突破剪切变硬材料在复杂载荷工况下测试手段受限的瓶颈，创新引入力-电、力-磁等多物理场耦合加载模块，并发展结合高速摄影、粒子示踪与数字图像相关技术的非接触可视化测量方法，实现了材料界面演化与微观结构变形的动态追踪与定量分析（图1）。在理论建模方面，融合分子动力学模拟与粘弹性理论，构建了描述应变率相关效应的本构模型，系统揭示了材料组分调控对宏观力学性能的影响规律与微观尺度的能量耗散机制（图2）。上述研究成果不仅在实验平台与理论模型构建方面实现多项突破，为柔性材料在冲击载荷下的动力学行为研究提供了全流程解决方案，也为其在柔性防护、软体机器人等高端装备中的应用奠定了理论基础与技术支撑。相关成果发表于Composites Part A, Polymer等高水平国际期刊。

图1. 剪切变硬材料多应变率范围实验平台的构建。(a)含位移场、应变场计算模块的裂纹扩展实验测试平台；(b)含原位观测模块的中应变率落锤冲击实验测试平台；(c)含有剩余速度与原位损伤分析模块的模拟高速弹道冲击实验测试平台。

图2. 剪切变硬材料的理论分析模型。(a)基于分子动力学方法的断裂机理分析；(b)基于标准线性固体模型的中应变率落锤冲击实验数值模拟；(c)基于粘弹性本构模型的高速模拟弹道冲击实验数值模拟。

2. 剪切变硬材料的力学行为设计与增强机制分析

    在前期构建的多应变率梯度实验平台与应变率相关理论模型基础上，进一步聚焦于剪切变硬材料的功能化改性与结构化设计，系统探索其力学性能提升与环境适应性增强的关键路径。在复合功能化改性方面，通过引入液态金属调控界面化学键网络、利用碳黑颗粒增强局部刚度、调节聚合物网络交联密度等手段，构建出具备多级能量耗散机制的复合材料体系。该策略显著提升了剪切变硬材料的断裂韧性与裂纹扩展阻力。此外，所引入功能增强相兼具优异的热导、电导率与磁响应特性，赋予材料力-热、力-电与力-磁等多物理场耦合相应特性，为智能柔性器件的开发提供了关键材料基础（图3）。在结构化设计方面，基于宏观双网络策略，成功构建兼具高断裂韧性与优异疲劳阈值的剪切变硬弹性体新构型，突破了传统弹性体“刚柔兼容性”设计上的技术瓶颈。同时，受纤维软骨与甲虫鞘翅等天然结构的层级构型特征，分别引入二维芳纶纤维与三维涤纶纤维构建仿生增强结构，在高应变率冲击下有效提升了材料的能量耗散效率与结构完整性，实现了剪切变硬材料在冲击动力学行为上的可控调节（图4）。上述研究不仅拓展了剪切变硬材料的结构-性能构效边界，也为其在复杂载荷环境中的高可靠性应用提供了坚实的理论基础与材料支撑。相关成果发表于 Advanced Functional Materials, Matter, ACS Applied Materials & Interfaces等高水平国际期刊。

图3. 剪切变硬材料的功能化改性。(a)液态金属增强剪切变硬弹性体的制备与断裂韧性表征；(b)磁流变剪切变硬弹性体的制备与磁致变形、磁致增强效应。

图4. 剪切变硬材料的结构设计。(a)宏观双网络剪切变硬复合材料的制备与裂纹扩展模式分析；(b)纤维增强剪切变硬复合材料的制备与抗冲击性能分析。

3. 剪切变硬材料的二维增材制造与智能应用拓展

    针对剪切变硬材料在复杂结构成型性、智能终端集成与柔性装备适配性方面的关键应用需求，系统开展了其二维增材制造工艺构建与智能化应用拓展研究，有效突破了剪切变硬材料传统模具成型工艺在精度控制与结构复杂性方面的技术瓶颈。通过调控剪切变硬弹性体前驱体的流变学特性，申请人探索适用于该类材料的“直墨书写（DIW）”二维增材制造工艺，并构建具有高空间精度与工艺可控性的增材制造平台，实现了从均质体系、梯度功能层到结构化复合单元的高精度可编程成型。上述工艺显著提升了材料的界面结合稳定性与结构连续性，在多次冲击载荷下表现出优异的力学可靠性，为剪切变硬材料在定制化冲击防护与智能结构构型设计中的应用奠定了坚实的材料基础与工艺路径（图5）。在此基础上，进一步引入导电功能填料构建复合导电网络，研发出具备稳定力-电耦合传感性能的新型柔性器件，包括智能护肘、智能跑鞋、智能头盔等，可实现局部应变感知与冲击监测。融合无线传输技术与深度学习算法，构建了具备远程原位监测与模式识别能力的智能感知系统，成功实现了对典型人体运动与危险撞击状态的实时预警。该类智能器件具有高度可定制性、高传感灵敏度与结构集成性，在柔性智能装备、人机交互系统与运动防护场景中展现出重要的应用潜力，代表了剪切变硬材料在智能柔性器件领域的关键技术突破（图6）。相关成果发表于 Advanced Materials, Composites Part A, Small Methods等国际权威期刊。

图5. 剪切变硬材料的二维增材制造工艺探索。(a)基于“直墨书写”（DIW）工艺的单组分剪切变硬弹性体二维增材制造工艺；(b)多组分梯度剪切变硬材料弹性体的二维增材制造工艺；(c)基于结构复合化单元的剪切变硬弹性体复合材料的二维增材制造工艺。

图6. 剪切变硬材料的智能化应用。(a)基于剪切变硬弹性体的智能运动鞋研制与远程步态识别能力实现；(b)兼具动态监测性能的剪切变硬复合材料基智能护肘的研制；(c)基于剪切变硬胶材料体系的智能防护头盔研制。