中国科大龚兴龙教授团队《Adv. Funct. Mater.》：通过形状记忆效应增强抗冲击性的仿生半主动防护设计

2023-01-08 来源：高分子科技

自然生物可以通过改变它们的形状和结构，以应对环境刺激，提高生存能力。例如，含羞草在受到刺激时会立即合拢叶片，这种反应行为有助于其避免暴风雨的冲击损伤。另外，猫从高楼坠落时会发生翻正反射，以减小冲击伤害。因此，开发变形增强抗冲击性能的防护材料或结构极具吸引力。

中国科学技术大学龚兴龙教授团队报告了一种通过形状记忆结构变形增强抗冲击能力的半主动防护策略。首先将聚己内酯（PCL）和剪切变硬弹性体（SSE）共混制备了热刺激形状记忆复合材料（PCLE）。基于PCLE-50%智能材料设计了多种半主动防护结构，当结构响应温度变形后，其抗冲击性能显著提升。另外，还开发了一套智能力热耦合防护服，除优异的冲击防护外，还表现出增强的隔热效果。这种通过形状记忆诱导结构调整增强抗冲击性的方法可能为功能和智能防护应用的设计和开发提供新的见解。相关研究以“Bio-inspired Semi-active Safeguarding Design with Enhanced Impact Resistance via Shape Memory Effect”为题发表于最新一期《Advanced Functional Materials》上，论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生王文慧，通讯作者为龚兴龙教授，王胜副研究员及马玉乾副研究员。

【复合材料的制备与表征】

热激活形状记忆复合材料（PCLE）是通过将PCL与SSE共混后高温高压制备而成（图1）。PCLE表现出率相关的力学行为，随着应变率的增加，杨氏模量和抗拉强度增加，断裂应变减小（图2）。利用差示扫描量热法研究了PCLE的热转变，由于PCL的相变，材料出现了明显的吸热峰，PCL含量越高，熔融温度越高。将熔融温度视为其转变温度，即PCLE-50%的转变温度为53.4℃。PCLE-50%具有优异的形状记忆性能，其形状固定率和恢复率可达97.9%和91.1%。通过编程和恢复，PCLE-50%可以通过水浴和热风加热实现由三维圆柱到二维矩形、螺旋条到直线条、卷曲的叶子展开、花朵绽放和蝴蝶展翅的过程。另外，建立了有限元模型模拟了蝴蝶形PCLE-50%在形状编程和恢复时的位移和应力变化。

图1. PCLE的制备流程示意图

图2. PCLE的性能表征

【单支结构的制备和表征】

基于PCLE-50%优异的力学性能和稳定的形状记忆性能，采用拉伸编程后的PCLE-50%、金属膜和Kapton胶带组装单支结构（ASPE）（图3）。当温度升高时，由于PCLE-50%的收缩受到金属薄膜和Kapton胶带的约束，ASPE弯曲变形。ASPE利用金属膜焦耳热加热。通过测试恢复角和恢复时间来评价高温下ASPE的弯曲变形能力，并探究了恢复电压，预拉伸应变和尺寸比的影响。通过落锤冲击实验表明， EVA泡沫和PCL的抗冲击效果较差。而SSE和PCLE-50%显示出更好的力耗散性能，其最大冲击力均小于硅橡胶和PDMS。在所有冲击高度下，形状恢复后的PCLE-50%的最大冲击力显著降低，冲击时间显著延长，反映了抗冲击性能的进一步增强。

图3. 单支结构的制备和表征

【多支结构的变形过程及防护性能】

由于单支结构可以快速、可重复地在平面和弯曲状态之间切换,进一步组装多分支结构（AMPE）来模拟花瓣或夹持器的闭合，并通过有限元手段对AMPE高温加载、冷却、卸载和形状恢复四个过程进行了仿真。与ASPE类似，AMPE也表现出增强的冲击力耗散性能。恢复后的AMPE-4的最大冲击力比无防护降低了88.9%，比恢复前衰减了79.4%。使用高速摄影记录了AMPE-3和R-AMPE-3的冲击过程，R-AMPE-3类似弹簧储存和缓冲冲击能量。

图4. 形状记忆诱导的结构调整过程及其防护性能

【复杂结构的多模态变形与冲击能量吸收】

基于ASPE和AMPE的变形原理，即弯曲方向始终背离金属薄膜一侧，成功设计组装了复杂结构（ACPE）。在图5中给出了由一个方形结构变换而来的三种不同变形。受相同方法的启发，从二维栅格结构形成各种3维记忆形状，经过高温恢复，分别得到了卷曲结构、哑铃结构和灯笼结构。还制造了许多其他结构，包括三角形结构，矩形结构和六边形结构。另外，金属膜的分段布局为控制最终的三维几何形状提供了一种新的途径。例如，通过在PCLE表面中线放置三个金属薄条可以实现波浪形。此外，还制备了双层结构，该结构可以从二维平面变形为三维弯曲-膨胀结构。尽管图5中结构变形复杂，但最初的编程方法都是非常简单的面内拉伸。

图5. 复杂结构的多模态变形与冲击能量吸收

通过落锤冲击试验（高度300 mm）分析了不同结构的抗冲击性能。使用锤头冲击前后的动能差评价ACPE在冲击过程中的能量吸收能力(?E)。结构调整后，各结构的?E均有所提升。双层结构的?E由0.73 J增加到1.32 J，增幅达80.8%。进一步建立了简化的有限元模型，模拟结构调整前后在300mm落锤冲击下的双层结构变形过程。结果表明，ACPE除具有良好的冲击力衰减特性外，还具有良好的冲击能量吸收和耗散性能。

【智能服装的开发】

最后，利用PCLE优异的冲击防护性能和智能温度响应特性，以设计的可变形双层ACPE结构为夹层，进一步开发了智能防护服(图6)。智能夹层在响应温度后发生弯曲膨胀变形。当温度超过转变温度时，智能防护服的内外织物因夹层的变形而撑开。制备的智能防护服表现出增强的冲击防护和隔热保温性能。最后，ACPE除了作为衣服的夹层外，还可以用于服装装饰（图7）。

图6. 具有冲击-热耦合防护性能的智能可穿戴服装

图7 智能装饰服装

【小结】

本研究通过SSE和PCL双网络制备了热触发形状记忆复合材料，结合金属薄膜和Kapton胶带制备了不同的半主动防护结构。除了利用材料固有阻尼和损伤吸能外，基于结构的响应变形为提高传统抗冲击材料的冲击耗能提供一种新的途径。通过结构变形增强了抗冲击性和能量吸收能力。最后，利用双层结构开发了具有冲击防护和隔热保温功能的智能服装，展示了在可穿戴防护设备中的潜在应用。这项工作为开发可变形、可穿戴和智能防护设备提供了创新手段。

原文链接：

Wenhui Wang, Sheng Wang, Jianyu Zhou, Huaxia Deng, Shuaishuai Sun, Tian Xue, Yuqian Ma and Xinglong Gong. Bio-inspired Semi-active Safeguarding Design with Enhanced Impact Resistance via Shape Memory Effect. Advanced Functional Materials, 2023, 2212093.

DOI：10.1002/adfm.202212093

https://doi.org/10.1002/adfm.202212093

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（责任编辑：xu）

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