中国科大龚兴龙教授课题组《Adv. Funct. Mater.》：基于剪切变硬的力致发光器件用于力-热耦合防护和冲击可视化

2024-09-11 来源：高分子科技

剪切变硬胶（Shear stiffening gel，SSG）作为一种先进的功能材料，遇强则强。由于这种对应变率极其敏感的动态响应行为，在冲击防护领域得到了广泛的关注。然而，基于SSG的智能冲击防护可穿戴设备，通常需要依赖于复杂的电路设计来实现智能化的感知，这阻碍了冲击相关损伤的及时显示，因此，亟需开发能够实现自给自足的冲击可视化的智能防护材料，可视化的设计为开发新型高性能智能冲击防护材料提供了新的思路。

鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队研发出一种基于剪切变硬胶的力致发光智能材料。通过将剪切变硬胶SSG以填充封装的方法与力致发光复合材料ZnS:Cu/PDMS进行组装，在保留SSG的冲击防护性能的同时实现了冲击、刮擦、拉伸等受力情况下的可视化。该复合材料具有优异的冲击防护性能，能够耗散冲击过程中80%的冲击能量，防护性能远优于商用的防护材料。此外，基于力致发光的特性，复合材料能够对冲击过程进行可视化，能够及时显示冲击伤害，并以光强场实现了应力场的可视化呈现。通过结构化封装，复合材料表现出优异的阻燃防护性能，使得复合材料适用于复杂的力-热耦合环境中。最后，将复合材料与人工智能相结合，实现了远程信息传输和人机交互的功能。该智能可穿戴材料结合了冲击保护、力可视化、远程控制和阻燃防护，为新一代可穿戴冲击防护材料提供了有意义的指导。该工作近日在线发表在材料类顶级期刊《Advanced Functional Materials》，题为“Shear stiffening-based mechanoluminescent device for impact-thermal coupling protection and impact visualization”。论文的第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士研究生段世龙，通讯作者为龚兴龙教授和桑敏副研究员。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金的资助和支持。

【复合材料的制备与表征】

通过仿蜂窝的形式，将SSG填充到ZnS:Cu/PDMS的空腔中形成复合材料ML-SSG。这种空腔结构设计可以有效的发挥SSG的剪切变硬作用。通过扫描电镜对ZnS:Cu/PDMS层进行了表征，结果表明ZnS:Cu颗粒成功地填充到PDMS的基材中，实现了良好的嵌入。

图1. ML层和ML-SSG复合材料的制备与表征

【复合材料的力学性能】

由于空腔结构的可编辑性，复合材料能够实现形状和空腔的多样性编辑（图2a）。在循环压缩试验中，ML-SSG在75次压缩循环后表现出较高的机械稳定性，在25%应变下，抗压强度保持80%，残余应变仅为3%（图2g）。得益于SSG的剪切变硬效应，复合材料在拉伸（图2h-i）、压缩（图2j-k）和高速冲击（图2i-m）下，表现出明显的应变率增强效应。ML-SSG的应变率增强效应在冲击防护领域具有广阔的应用前景。

图2. ML-SSG的结构可编辑性及基本力学性能

【复合材料的力致发光拉伸传感】

新型复合材料展现出优异的拉伸发光特性。随着拉伸速率和拉伸应变增大，ML-SSG的发光强度也随之增强，具有良好的线性相关性。循环拉伸实验表明该材料具有良好的循环拉伸发光性能。此外，通过力致发光强度揭示了拉伸过程中的应力分布，其结果与有限元模拟结果具有很好的一致性（图3h-j）。应力场的可视化是开发ML-SSG复合材料的一个显著特点，其力致发光特性在冲击可视化和力学性能监测方面具有广阔的应用前景。

图3. 不同拉伸速率和拉伸应变下的力致发光感知

【复合材料的冲击防护性能和冲击可视化】

由于ML-SSG具有显著的应变率增强效应，使得其能有效地减弱外部冲击，吸收冲击能量。相比于商用的防护材料，复合材料能够显著地降低冲击峰值力和延缓冲击时间，从而减轻冲击的危害。此外，基于力致发光特性，ML-SSG在实现冲击保护的同时，还能可视化冲击过程。其发光光强与冲击过程中的能量大小具有很好的线性相关性，可以通过光强大小直观地感知冲击伤害的强度，并且其冲击过程中产生的应力场也通过光强场实现了很好的可视化呈现（图5g-h）。相比于传统的电学控制的智能防护材料，ML-SSG能够无源地进行冲击的传感和可视化预警。

图4. ML-SSG复合材料的抗冲击性

图5. ML-SSG复合材料的冲击可视化

【复合材料的阻燃防护性能】

ZnS:Cu和SiO₂的加入使得ML层表现出优异的阻燃性能，能够显著的降低热释放和气体排放量。得益于封装结构的设计，使得复合材料ML-SSG表现出优异的阻燃防护性能，能够在火焰点燃10s后，仍然保持结构的稳定性。这种优异的阻燃防护性能使得复合材料能够运用于复杂的力-热耦合环境中。

图6. ML层和ML-SSG复合材料的阻燃防护性能

【复合材料的应用演示】

ML-SSG可以作为可穿戴设备来充当冲击的防护层和感知层，可以有效的减少冲击伤害并进行可视化预警（图7a）。由于空腔结构的可编辑性，可以设计不同的图形进行可视化显示，如USTC、蝴蝶、花朵等，实现了多样化的显示。基于ML-SSG可视化传感的特性，其可与神经网络相结合，进行信息的传递和信息交互。通过对手写字符的识别，可以对机器人进行精准的控制，实现远程无源的可视化控制。

图7 ML-SSG复合材料用于图形显示和人机交互

【总结】

该研究通过将ZnS:Cu/PDMS@SiO₂力致发光层与剪切变硬材料SSG组装，开发了复合材料ML-SSG。ML-SSG具有明显的应变率增强效应，以及优异的冲击能量耗散性能。力致发光特性赋予ML-SSG特殊的显示功能，可以通过光强场可视化应力场，使冲击过程可视化，在潜在冲击伤害的预警和提示中发挥重要作用。该复合材料具有良好的热防护性能，可应用于复杂的力-热耦合环境中，并且，基于ML-SSG良好的信息传递功能，可用于非接触式信息传输，实现人机交互。这项工作为新一代可穿戴防护材料的冲击防护和智能监测提供了新的研究视角。

原文链接：

S. Duan, M. Sang, H. Chen, Y. Pan, S. Liu, Z. Li, Z. Hu, Z. Zhang, X. Gong, Shear Stiffening-Based Mechanoluminescent Device for Impact-Thermal Coupling Protection and Impact Visualization. Adv. Funct. Mater. 2024, 2411821. https://doi.org/10.1002/adfm.202411821

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻