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中國科大龔興龍教授課題組《Compos. Part B-Eng.》：具有阻燃抗沖擊傳感性能的預(yù)警-防護一體化剪切增稠復(fù)合海綿
2024-04-23  來源：高分子科技

  防護裝備是人體生命安全和精密儀器穩(wěn)定工作的重要保障，隨著社會發(fā)展，傳統(tǒng)的材料體系已經(jīng)無法有效應(yīng)對日益復(fù)雜的極端環(huán)境，發(fā)展新型智能防護材料成為提高人們生存能力和儀器工作壽命的有效手段。在眾多防護材料中，海綿材料因其輕質(zhì)量、高回彈的特性被廣泛應(yīng)用于沖擊防護領(lǐng)域，然而，在極端環(huán)境中發(fā)生的機械沖擊往往伴隨著熱損傷，傳統(tǒng)海綿材料難以抵御耦合傷害且無法向外界即時傳輸信息，嚴(yán)重威脅了人員與儀器安全。因此，如何基于復(fù)雜環(huán)境對材料進行定向優(yōu)化，實現(xiàn)極端環(huán)境中的全方位防護是一項重要課題。


  鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授課題組在《Composites Part B-Engineering》期刊上發(fā)表了題為“An integrative warning-protection shear thickened composite sponge towards sensing performance and impact resistance with excellent flame retardant”的論文。該論文將二氧化硅顆粒及阻燃添加劑分散在親水性離子液體（[EOHMIM]BF4）中制備出阻燃型剪切增稠液（P-STF）。采用超聲輔助浸漬的方法，將STF復(fù)合到海綿材料上，研制出具有阻燃抗沖擊傳感性能的預(yù)警-防護一體化剪切增稠復(fù)合海綿（P-STF/Sponge）。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的設(shè)計與制備


  研究人員采用球磨分散的方式將二氧化硅顆粒分散到高熱穩(wěn)定性的離子液體中配制剪切增稠液，以超聲輔助浸漬的方法制備了機械性能良好的P-STF/Sponge復(fù)合材料（圖1）。二氧化硅表面豐富的羥基官能團與離子液體之間可以形成氫鍵，在外部剪切作用下，表現(xiàn)出顯著的剪切增稠現(xiàn)象（圖2），將STF引入海綿材料后，海綿材料壓縮峰值力增大，且表現(xiàn)出明顯的率相關(guān)性。 


圖1. P-STF/Sponge復(fù)合材料的制備工藝示意圖及樣品表征圖。



圖2. P-STF/Sponge復(fù)合材料的流變性能及機械性能。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的防護性能


  由于STF在液固轉(zhuǎn)變的過程中可以吸收大量的能量，因此有望提高復(fù)合材料的防護性能。對材料進行了不同高度的落錘沖擊實驗，結(jié)果表明，引入P-STF后，材料在落錘沖擊下檢測到的峰值力更低，且隨著P-STF含量的增加，復(fù)合材料的沖擊力衰減更為明顯。通過有限元模擬，從微觀力學(xué)角度描述了復(fù)合材料的抗沖擊性能，結(jié)果表明，多種損傷模式的協(xié)同作用增強了復(fù)合材料的抗沖擊性能（圖3）。 


圖3.P-STF/Sponge復(fù)合材料的防護性能。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的傳感性能


  基于離子液體的P-STF具有導(dǎo)電特性，此外，海綿材料獨特的輕質(zhì)柔韌性使其具備作為柔性可穿戴設(shè)備的潛力，因此復(fù)合形成的P-STF材料可被應(yīng)用于傳感領(lǐng)域。研究人員記錄了復(fù)合材料在不同應(yīng)變下的傳感信號，電阻隨應(yīng)變呈規(guī)律性變化，且在同應(yīng)變下表現(xiàn)出良好的循環(huán)回復(fù)性；對復(fù)合材料進行了外界激勵下的人體監(jiān)測實驗，表明其有望應(yīng)用于智能穿戴領(lǐng)域；最后，將復(fù)合材料組裝成陣列模式，形成的傳感器陣列能夠準(zhǔn)確感知外界刺激（圖4）。 


圖4.P-STF/Sponge復(fù)合材料的傳感性能。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的阻燃性能


  阻燃性能是復(fù)合材料在極端環(huán)境中實現(xiàn)全方位防護必不可少的功能。研究人員利用熱穩(wěn)定特性良好的離子液體作為分散介質(zhì)，同時引入阻燃添加劑，賦予了復(fù)合材料可靠的阻燃性能。經(jīng)過阻燃P-STF的修飾，極度易燃的海綿材料具備了離火自熄的阻燃能力，且擁有高達33%的極限氧指數(shù)，表現(xiàn)出了良好的火災(zāi)安全性（圖5）。 


圖5. P-STF/Sponge復(fù)合材料的阻燃性能。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的預(yù)警性能


  在危險發(fā)生之前及早預(yù)警，是筑起預(yù)防或減輕傷害的第一道防線。P-STF復(fù)合材料良好的抗沖擊性能、阻燃性能和靈敏的傳感能力，使其同時具有感應(yīng)沖擊和火災(zāi)報警性能。通過無線沖擊與火災(zāi)報警應(yīng)用演示，說明了復(fù)合材料具有集預(yù)警與防護一體化的功能，有望應(yīng)用于消防領(lǐng)域（圖6）。


圖6.P-STF/Sponge復(fù)合材料的預(yù)警性能。


  綜上所述，該工作研制了一種具有阻燃抗沖擊傳感性能的預(yù)警-防護一體化剪切增稠復(fù)合海綿，該復(fù)合材料不僅保證了極端環(huán)境下對機械損傷和熱損傷的廣泛防御，也能夠在危險發(fā)生時及時傳輸信息，在輕量化智能防護裝備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。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)院博士研究生潘雨成，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院龔興龍教授和博士后桑敏。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、中國博士后科學(xué)基金的資助和支持。


  原文鏈接：Yucheng Pan, Min Sang, Junshuo Zhang, Zimu Li, Shuai Liu, Zhentao Zhang, Qian Ma and Xinglong Gong. An integrative warning-protection shear thickened composite sponge towards sensing performance and impact resistance with excellent flame retardant. Compos. Pt. B-Eng. 279 (2024): 111466.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111466

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