中国科大龚兴龙教授团队《Adv. Funct. Mater.》：剪切变硬胶基智能材料仿生设计策略助力可变刚度半主动个人防护

2024-10-26 来源：高分子科技

在体育运动、医疗保健和军事防护等领域，冲击伤害的高发率催生了对于先进抗冲击材料的迫切需求。尽管传统刚性材料能够提供有效的防护，但新型仿生材料借鉴了大自然中的结构，如经过自然选择形成的珍珠层结构，为防护提供了新的可能性。这些模仿珍珠层结构的复合材料在抗冲击方面表现出色，但在动能吸收方面仍存在局限性，且往往影响灵活性和舒适性。值得注意的是，柔性材料在确保穿戴者舒适度的同时，并不限制人体运动。然而，这类材料在承受高冲击负载方面仍显不足。此外，传统软质和硬质防护材料的机械性能在设计完成时已经固定，难以适应复杂工况中的各种条件。

鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队研发出一种仿珍珠层剪切变硬胶基智能材料。这种材料通过刚柔并济的设计策略，克服了现有材料刚度唯一的局限性，使其同时具备抗冲击和光热诱导的可变刚度能力。此外，它在应对复杂环境时具有形状可编程性，可以根据外部刺激调整机械性能。这种软硬耦合设计既能提供出色的动能吸收和分配能力，又能保持穿戴者的舒适性和机动性，为半主动个人防护领域提供了可行的解决方案。相关研究成果以“Photothermally-Induced Reversible Rigidity of Nacre-Mimetic Composites towards Semi-Active Personal Safeguard”为题，发表在国际Top期刊《Advanced Functional Materials》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生李子木，通讯作者为龚兴龙教授、王胜副教授与马玉乾特任教授。

【智能材料仿生结构设计】

借鉴珍珠层结构灵感，本工作提出了一种新型半主动防护材料设计策略。该策略将刚性环氧树脂嵌入到柔性仿珍珠层剪切变硬胶基骨架中，自组装成一种具有光热诱导可变刚度能力的智能材料。这种材料不仅能够根据复杂工况调整其力学性能，以提供更优的防护，还具有形状编程能力，能够适应不同的防护需求。

图1 仿生结构功能材料设计

SEM图像显示智能材料呈现长程有序的层状排列。随着剪切变硬胶含量的增加，仿珍珠层结构骨架表面逐渐形成一层剪切变硬胶薄膜，这不仅有助于更好地耗散能量，并赋予材料应变率敏感特性。此外，通过实验确定了最优的剪切变硬胶含量，这一材料参数的优化为智能材料的力学性能提升提供了有力支持。

图2 形貌与理化性能表征

【智能材料力学行为研究】

智能材料由于剪切变硬胶的引入，展现出率增强的力学性能，其拉伸和弯曲应力随着加载应变率的增加而显著增加。相比于多种常见的粘接剂，剪切变硬胶基智能材料的冲击加速度和微观层间距最小，使其在抗冲和缓冲方面表现出色，进一步增强了其个人防护性能。

图3 应变率敏感力学性能

智能材料在暴露于光下时，能够吸收辐射并转化为热能。经过一个太阳光照射，其温度可在短短20 s内迅速超过60 ℃，并最终达到稳定的89.7 ℃。即使在真实世界的条件下，该材料仍能稳定在60 ℃，并能够在100次加卸载循环中保持这一性能。

图4 光热效应研究

相比于随机结构智能材料，仿珍珠层结构智能材料在能量吸收方面表现优异，达到了1.91 MJ/m³，是随机结构智能材料的3.82倍。这一显著优势主要归功于其独特的仿珍珠层结构设计，该设计通过三维裂纹偏转和扭曲来有效地耗散能量，避免了能量的直接集中，从而最大限度地保护了材料本身。

图5 准静态力学性能与微观结构演化规律

在动态冲击防护领域，智能材料表现出了卓越的抗冲击性能，不仅可以保护小鼠的骨头，防止它们受到高速冲击的伤害，而且其防护性能远远超过了具有高能量耗散特性的剪切变硬弹性体。通过微观结构演化和有限元仿真等手段，深入分析了智能材料的多尺度协同耗能机理，揭示了宏观到微观、外在到内在的多种断裂机制耦合进一步增强了其防护性能。

图6 动态冲击防护与多尺度协同耗能机理

【智能材料力-热-光耦合性能研究】

智能材料展现出了显著的光热诱导的热力学性能。其储能模量会随着温度的变化而改变，从30 ℃的9.85 MPa下降至116 ℃的11.61 kPa。智能材料在受到光照时发生软化，从而可以适应不同的器件表面，这使得它能够包裹手臂并提供防护。同时，智能材料的光热诱导可变刚度特性使其能够根据环境条件和防护需求进行调整，从而提供更高效、更可靠的防护策略。

图7 力-热-光耦合力学行为研究

【智能防护装备研发】

本工作研发出一种具有光热诱导可变刚度的半主动个人防护装备，该装备能够在需要防护时，通过形状编程功能贴附于人体，实现个性化防护。当需要更换防护位置时，装备仅需通过光照软化并设计为不同构型，以适应人体不同部位的需求。此外，经过1000次弯曲循环，防护装备依旧保持优异的力学性能。这一半主动设计策略大大提升了防护装备的灵活性和适应性，为个人防护领域带来了全新的可能性。

图8 智能防护装备研发

【总结】

本工作开发了一种软硬相耦合的仿生智能材料设计策略。通过引入仿珍珠层结构和剪切变硬胶，成功地赋予了智能材料出众的冲击防护能力，其性能超越了众多传统工程材料。此外，这种材料还具有多尺度协同耗能特性和可变刚度能力，能够在各种复杂工况下适应并提供全面的防护。这一仿生半主动设计策略为先进抗冲击材料的研发提供了指导，在智能防护领域具有广阔的应用前景。

原文链接：

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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（责任编辑：xu）

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