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中國科大龔興龍教授團隊《Adv. Funct. Mater.》：剪切變硬膠基智能材料仿生設計策略助力可變剛度半主動個人防護

2024-10-26 來源：高分子科技

在體育運動、醫療保健和軍事防護等領域，沖擊傷害的高發率催生了對于先進抗沖擊材料的迫切需求。盡管傳統剛性材料能夠提供有效的防護，但新型仿生材料借鑒了大自然中的結構，如經過自然選擇形成的珍珠層結構，為防護提供了新的可能性。這些模仿珍珠層結構的復合材料在抗沖擊方面表現出色，但在動能吸收方面仍存在局限性，且往往影響靈活性和舒適性。值得注意的是，柔性材料在確保穿戴者舒適度的同時，并不限制人體運動。然而，這類材料在承受高沖擊負載方面仍顯不足。此外，傳統軟質和硬質防護材料的機械性能在設計完成時已經固定，難以適應復雜工況中的各種條件。

鑒于此，中國科學技術大學龔興龍教授團隊研發出一種仿珍珠層剪切變硬膠基智能材料。這種材料通過剛柔并濟的設計策略，克服了現有材料剛度唯一的局限性，使其同時具備抗沖擊和光熱誘導的可變剛度能力。此外，它在應對復雜環境時具有形狀可編程性，可以根據外部刺激調整機械性能。這種軟硬耦合設計既能提供出色的動能吸收和分配能力，又能保持穿戴者的舒適性和機動性，為半主動個人防護領域提供了可行的解決方案。相關研究成果以“Photothermally-Induced Reversible Rigidity of Nacre-Mimetic Composites towards Semi-Active Personal Safeguard”為題，發表在國際Top期刊《Advanced Functional Materials》。論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士生李子木，通訊作者為龔興龍教授、王勝副教授與馬玉乾特任教授。

【智能材料仿生結構設計】

借鑒珍珠層結構靈感，本工作提出了一種新型半主動防護材料設計策略。該策略將剛性環氧樹脂嵌入到柔性仿珍珠層剪切變硬膠基骨架中，自組裝成一種具有光熱誘導可變剛度能力的智能材料。這種材料不僅能夠根據復雜工況調整其力學性能，以提供更優的防護，還具有形狀編程能力，能夠適應不同的防護需求。

圖1 仿生結構功能材料設計

SEM圖像顯示智能材料呈現長程有序的層狀排列。隨著剪切變硬膠含量的增加，仿珍珠層結構骨架表面逐漸形成一層剪切變硬膠薄膜，這不僅有助于更好地耗散能量，并賦予材料應變率敏感特性。此外，通過實驗確定了最優的剪切變硬膠含量，這一材料參數的優化為智能材料的力學性能提升提供了有力支持。

圖2 形貌與理化性能表征

【智能材料力學行為研究】

智能材料由于剪切變硬膠的引入，展現出率增強的力學性能，其拉伸和彎曲應力隨著加載應變率的增加而顯著增加。相比于多種常見的粘接劑，剪切變硬膠基智能材料的沖擊加速度和微觀層間距最小，使其在抗沖和緩沖方面表現出色，進一步增強了其個人防護性能。

圖3 應變率敏感力學性能

智能材料在暴露于光下時，能夠吸收輻射并轉化為熱能。經過一個太陽光照射，其溫度可在短短20 s內迅速超過60 ℃，并最終達到穩定的89.7 ℃。即使在真實世界的條件下，該材料仍能穩定在60 ℃，并能夠在100次加卸載循環中保持這一性能。

圖4 光熱效應研究

相比于隨機結構智能材料，仿珍珠層結構智能材料在能量吸收方面表現優異，達到了1.91 MJ/m³，是隨機結構智能材料的3.82倍。這一顯著優勢主要歸功于其獨特的仿珍珠層結構設計，該設計通過三維裂紋偏轉和扭曲來有效地耗散能量，避免了能量的直接集中，從而最大限度地保護了材料本身。

圖5 準靜態力學性能與微觀結構演化規律

在動態沖擊防護領域，智能材料表現出了卓越的抗沖擊性能，不僅可以保護小鼠的骨頭，防止它們受到高速沖擊的傷害，而且其防護性能遠遠超過了具有高能量耗散特性的剪切變硬彈性體。通過微觀結構演化和有限元仿真等手段，深入分析了智能材料的多尺度協同耗能機理，揭示了宏觀到微觀、外在到內在的多種斷裂機制耦合進一步增強了其防護性能。

圖6 動態沖擊防護與多尺度協同耗能機理

【智能材料力-熱-光耦合性能研究】

智能材料展現出了顯著的光熱誘導的熱力學性能。其儲能模量會隨著溫度的變化而改變，從30 ℃的9.85 MPa下降至116 ℃的11.61 kPa。智能材料在受到光照時發生軟化，從而可以適應不同的器件表面，這使得它能夠包裹手臂并提供防護。同時，智能材料的光熱誘導可變剛度特性使其能夠根據環境條件和防護需求進行調整，從而提供更高效、更可靠的防護策略。

圖7 力-熱-光耦合力學行為研究

【智能防護裝備研發】

本工作研發出一種具有光熱誘導可變剛度的半主動個人防護裝備，該裝備能夠在需要防護時，通過形狀編程功能貼附于人體，實現個性化防護。當需要更換防護位置時，裝備僅需通過光照軟化并設計為不同構型，以適應人體不同部位的需求。此外，經過1000次彎曲循環，防護裝備依舊保持優異的力學性能。這一半主動設計策略大大提升了防護裝備的靈活性和適應性，為個人防護領域帶來了全新的可能性。

圖8 智能防護裝備研發

【總結】

本工作開發了一種軟硬相耦合的仿生智能材料設計策略。通過引入仿珍珠層結構和剪切變硬膠，成功地賦予了智能材料出眾的沖擊防護能力，其性能超越了眾多傳統工程材料。此外，這種材料還具有多尺度協同耗能特性和可變剛度能力，能夠在各種復雜工況下適應并提供全面的防護。這一仿生半主動設計策略為先進抗沖擊材料的研發提供了指導，在智能防護領域具有廣闊的應用前景。

原文鏈接：

Zimu Li, Sheng Wang, Shuai Liu, Wenhui Wang, Jianpeng Wu, Tingting Xuan, Zhentao Zhang, Danyi Li, Yuqian Ma, Xinglong Gong. Photothermally-Induced Reversible Rigidity of Nacre-Mimetic Composites towards Semi-Active Personal Safeguard. Advanced Functional Materials 2024, 2414780. DOI: 10.1002/adfm.202414780.

https://doi.org/10.1002/adfm.202414780

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（責任編輯：xu）

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