中國科大龔興龍教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Funct. Mater.》：剪切變硬膠基智能材料仿生設(shè)計(jì)策略助力可變剛度半主動個(gè)人防護(hù)
在體育運(yùn)動、醫(yī)療保健和軍事防護(hù)等領(lǐng)域，沖擊傷害的高發(fā)率催生了對于先進(jìn)抗沖擊材料的迫切需求。盡管傳統(tǒng)剛性材料能夠提供有效的防護(hù)，但新型仿生材料借鑒了大自然中的結(jié)構(gòu)，如經(jīng)過自然選擇形成的珍珠層結(jié)構(gòu)，為防護(hù)提供了新的可能性。這些模仿珍珠層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在抗沖擊方面表現(xiàn)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(shí)，并不限制人體運(yùn)動。然而，這類材料在承受高沖擊負(fù)載方面仍顯不足。此外，傳統(tǒng)軟質(zhì)和硬質(zhì)防護(hù)材料的機(jī)械性能在設(shè)計(jì)完成時(shí)已經(jīng)固定，難以適應(yīng)復(fù)雜工況中的各種條件。
鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種仿珍珠層剪切變硬膠基智能材料。這種材料通過剛?cè)岵?jì)的設(shè)計(jì)策略，克服了現(xiàn)有材料剛度唯一的局限性，使其同時(shí)具備抗沖擊和光熱誘導(dǎo)的可變剛度能力。此外，它在應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境時(shí)具有形狀可編程性，可以根據(jù)外部刺激調(diào)整機(jī)械性能。這種軟硬耦合設(shè)計(jì)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(jī)動性，為半主動個(gè)人防護(hù)領(lǐng)域提供了可行的解決方案。相關(guān)研究成果以“Photothermally-Induced Reversible Rigidity of Nacre-Mimetic Composites towards Semi-Active Personal Safeguard”為題，發(fā)表在國際Top期刊《Advanced Functional Materials》。論文第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】
借鑒珍珠層結(jié)構(gòu)靈感，本工作提出了一種新型半主動防護(hù)材料設(shè)計(jì)策略。該策略將剛性環(huán)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(dǎo)可變剛度能力的智能材料。這種材料不僅能夠根據(jù)復(fù)雜工況調(diào)整其力學(xué)性能，以提供更優(yōu)的防護(hù)，還具有形狀編程能力，能夠適應(yīng)不同的防護(hù)需求。
圖1 仿生結(jié)構(gòu)功能材料設(shè)計(jì)
SEM圖像顯示智能材料呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(yīng)變率敏感特性。此外，通過實(shí)驗(yàn)確定了最優(yōu)的剪切變硬膠含量，這一材料參數(shù)的優(yōu)化為智能材料的力學(xué)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(xué)行為研究】
智能材料由于剪切變硬膠的引入，展現(xiàn)出率增強(qiáng)的力學(xué)性能，其拉伸和彎曲應(yīng)力隨著加載應(yīng)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(xiàn)出色，進(jìn)一步增強(qiáng)了其個(gè)人防護(hù)性能。
圖3 應(yīng)變率敏感力學(xué)性能
智能材料在暴露于光下時(shí)，能夠吸收輻射并轉(zhuǎn)化為熱能。經(jīng)過一個(gè)太陽光照射，其溫度可在短短20 s內(nèi)迅速超過60 ℃，并最終達(dá)到穩(wěn)定的89.7 ℃。即使在真實(shí)世界的條件下，該材料仍能穩(wěn)定在60 ℃，并能夠在100次加卸載循環(huán)中保持這一性能。
圖4 光熱效應(yīng)研究
相比于隨機(jī)結(jié)構(gòu)智能材料，仿珍珠層結(jié)構(gòu)智能材料在能量吸收方面表現(xiàn)優(yōu)異，達(dá)到了1.91 MJ/m3，是隨機(jī)結(jié)構(gòu)智能材料的3.82倍。這一顯著優(yōu)勢主要歸功于其獨(dú)特的仿珍珠層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)通過三維裂紋偏轉(zhuǎn)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(hù)了材料本身。
圖5 準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律
在動態(tài)沖擊防護(hù)領(lǐng)域，智能材料表現(xiàn)出了卓越的抗沖擊性能，不僅可以保護(hù)小鼠的骨頭，防止它們受到高速沖擊的傷害，而且其防護(hù)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)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(xié)同耗能機(jī)理，揭示了宏觀到微觀、外在到內(nèi)在的多種斷裂機(jī)制耦合進(jìn)一步增強(qiáng)了其防護(hù)性能。
圖6 動態(tài)沖擊防護(hù)與多尺度協(xié)同耗能機(jī)理
【智能材料力-熱-光耦合性能研究】
智能材料展現(xiàn)出了顯著的光熱誘導(dǎo)的熱力學(xué)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(shí)發(fā)生軟化，從而可以適應(yīng)不同的器件表面，這使得它能夠包裹手臂并提供防護(hù)。同時(shí)，智能材料的光熱誘導(dǎo)可變剛度特性使其能夠根據(jù)環(huán)境條件和防護(hù)需求進(jìn)行調(diào)整，從而提供更高效、更可靠的防護(hù)策略。
圖7 力-熱-光耦合力學(xué)行為研究
【智能防護(hù)裝備研發(fā)】
本工作研發(fā)出一種具有光熱誘導(dǎo)可變剛度的半主動個(gè)人防護(hù)裝備，該裝備能夠在需要防護(hù)時(shí)，通過形狀編程功能貼附于人體，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化防護(hù)。當(dāng)需要更換防護(hù)位置時(shí)，裝備僅需通過光照軟化并設(shè)計(jì)為不同構(gòu)型，以適應(yīng)人體不同部位的需求。此外，經(jīng)過1000次彎曲循環(huán)，防護(hù)裝備依舊保持優(yōu)異的力學(xué)性能。這一半主動設(shè)計(jì)策略大大提升了防護(hù)裝備的靈活性和適應(yīng)性，為個(gè)人防護(hù)領(lǐng)域帶來了全新的可能性。
圖8 智能防護(hù)裝備研發(fā)
【總結(jié)】
本工作開發(fā)了一種軟硬相耦合的仿生智能材料設(shè)計(jì)策略。通過引入仿珍珠層結(jié)構(gòu)和剪切變硬膠，成功地賦予了智能材料出眾的沖擊防護(hù)能力，其性能超越了眾多傳統(tǒng)工程材料。此外，這種材料還具有多尺度協(xié)同耗能特性和可變剛度能力，能夠在各種復(fù)雜工況下適應(yīng)并提供全面的防護(hù)。這一仿生半主動設(shè)計(jì)策略為先進(jìn)抗沖擊材料的研發(fā)提供了指導(dǎo)，在智能防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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
