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近年來，自然界中生物的自適應(yīng)進化現(xiàn)象為高性能結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)提供了豐富的靈感。這些生物通過億萬年的進化，形成了獨特且高效的結(jié)構(gòu)，如穿山甲殼的分段層狀結(jié)構(gòu)、豪豬刺的核殼多孔結(jié)構(gòu)、海龜殼的薄片堆疊結(jié)構(gòu)以及犀牛角的卷曲柱狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了輕量化，還兼具高強度、高韌性與高抗沖擊的卓越特性。其中，鮑魚這一古老的軟體動物，其堅硬的外殼更是生物進化與結(jié)構(gòu)設(shè)計的典范。鮑魚殼微觀結(jié)構(gòu)類似于建筑中的磚泥結(jié)構(gòu)，其中磚塊由堅硬的礦物質(zhì)構(gòu)成，而灰泥則由柔軟的有機物構(gòu)成。這種磚泥結(jié)構(gòu)的獨特之處在于，它能夠通過斷裂、剪切、粘附以及互鎖等多種機制來耗散能量，從而達到遠超單一材料成分的防護效果。因此，仿珍珠層結(jié)構(gòu)無疑為開發(fā)新型高性能抗沖擊結(jié)構(gòu)材料提供了新的思路。

  鑒于此，中國科學技術(shù)大學龔興龍教授團隊研發(fā)出一種仿珍珠層剪切變硬膠基智能材料。這種材料采用雙向冷鑄與氮氣退火工藝，通過自組裝形成了獨特的二維納米片蒙脫土（MMT）/MXene層狀網(wǎng)絡(luò)，并利用超聲浸漬與真空干燥技術(shù)，將具有應(yīng)變率敏感特性的剪切變硬膠（SSG）引入其中，制備出一種集能量耗散、多軸傳感、自我修復與焦耳熱療等多種功能于一體的智能材料。仿珍珠層結(jié)構(gòu)的設(shè)計賦予了這種智能材料優(yōu)良的沖擊防護性能，能夠將高達1308.1 N的沖擊力大幅減低至370.4 N，其性能超越了多種商用工程材料。通過有限元分析，進一步揭示了該材料在裂紋擴展、孔隙壓實與磚塊滑移等多個尺度上的協(xié)同耗能機制。此外，借助MXene各向異性導電網(wǎng)絡(luò)，該智能材料可以作為電子皮膚，在智能感知與熱管理方面發(fā)揮重要作用。這一獨特的仿生設(shè)計策略為輕質(zhì)防護裝甲與可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域提供了新的思路。相關(guān)研究成果以“Nacre-inspired MMT-MXene integrated shear-stiffening gel composites for personal safeguard and multi-functional electronics”為題，發(fā)表在國際Top期刊《Composites Part B: Engineering》。論文第一作者為中國科學技術(shù)大學工程科學學院碩士生李子木，通訊作者為龔興龍教授與王勝副教授。 

【智能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計】

圖1 仿生結(jié)構(gòu)材料設(shè)計

圖2 新型雙向冷鑄工藝

【智能材料力學表征】

圖3 復雜環(huán)境適應(yīng)性

圖4 應(yīng)變率敏感力學性能

圖5 沖擊載荷防護性能

圖6 多尺度協(xié)同耗能機理

【智能材料力-電-熱耦合研究】

圖7智能感知與熱管理功能研究

【智能防護裝備研發(fā)】

圖8 智能防護裝備研發(fā)

  原文鏈接：

  Zimu Li, Sheng Wang, Wenhui Wang, Jianpeng Wu, Zhentao Zhang, Danyi Li, Jinyu Yang, Junshuo Zhang, Yu Wang, Xinglong Gong. Nacre-inspired MMT-MXene integrated shear-stiffening gel composites for personal safeguard and multi-functional electronics. Composites Part B: Engineering 2024, 111526. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111526.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111526