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中國(guó)科大龔興龍教授課題組《Adv. Funct. Mater.》：基于剪切變硬的力致發(fā)光器件用于力-熱耦合防護(hù)和沖擊可視化
2024-09-11  來(lái)源：高分子科技

  剪切變硬膠（Shear stiffening gel，SSG）作為一種先進(jìn)的功能材料，遇強(qiáng)則強(qiáng)。由于這種對(duì)應(yīng)變率極其敏感的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為，在沖擊防護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。然而，基于SSG的智能沖擊防護(hù)可穿戴設(shè)備，通常需要依賴(lài)于復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化的感知，這阻礙了沖擊相關(guān)損傷的及時(shí)顯示，因此，亟需開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足的沖擊可視化的智能防護(hù)材料，可視化的設(shè)計(jì)為開(kāi)發(fā)新型高性能智能沖擊防護(hù)材料提供了新的思路。


  鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種基于剪切變硬膠的力致發(fā)光智能材料。通過(guò)將剪切變硬膠SSG以填充封裝的方法與力致發(fā)光復(fù)合材料ZnS:Cu/PDMS進(jìn)行組裝，在保留SSG的沖擊防護(hù)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了沖擊、刮擦、拉伸等受力情況下的可視化。該復(fù)合材料具有優(yōu)異的沖擊防護(hù)性能，能夠耗散沖擊過(guò)程中80%的沖擊能量，防護(hù)性能遠(yuǎn)優(yōu)于商用的防護(hù)材料。此外，基于力致發(fā)光的特性，復(fù)合材料能夠?qū)_擊過(guò)程進(jìn)行可視化，能夠及時(shí)顯示沖擊傷害，并以光強(qiáng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力場(chǎng)的可視化呈現(xiàn)。通過(guò)結(jié)構(gòu)化封裝，復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃防護(hù)性能，使得復(fù)合材料適用于復(fù)雜的力-熱耦合環(huán)境中。最后，將復(fù)合材料與人工智能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程信息傳輸和人機(jī)交互的功能。該智能可穿戴材料結(jié)合了沖擊保護(hù)、力可視化、遠(yuǎn)程控制和阻燃防護(hù)，為新一代可穿戴沖擊防護(hù)材料提供了有意義的指導(dǎo)。該工作近日在線(xiàn)發(fā)表在材料類(lèi)頂級(jí)期刊《Advanced Functional Materials》，題為“Shear stiffening-based mechanoluminescent device for impact-thermal coupling protection and impact visualization”。論文的第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院碩士研究生段世龍，通訊作者為龔興龍教授和桑敏副研究員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金的資助和支持。


【復(fù)合材料的制備與表征】


  通過(guò)仿蜂窩的形式，將SSG填充到ZnS:Cu/PDMS的空腔中形成復(fù)合材料ML-SSG。這種空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效的發(fā)揮SSG的剪切變硬作用。通過(guò)掃描電鏡對(duì)ZnS:Cu/PDMS層進(jìn)行了表征，結(jié)果表明ZnS:Cu顆粒成功地填充到PDMS的基材中，實(shí)現(xiàn)了良好的嵌入。


圖1. ML層和ML-SSG復(fù)合材料的制備與表征


【復(fù)合材料的力學(xué)性能】


  由于空腔結(jié)構(gòu)的可編輯性，復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)形狀和空腔的多樣性編輯（圖2a）。在循環(huán)壓縮試驗(yàn)中，ML-SSG在75次壓縮循環(huán)后表現(xiàn)出較高的機(jī)械穩(wěn)定性，在25%應(yīng)變下，抗壓強(qiáng)度保持80%，殘余應(yīng)變僅為3%（圖2g）。得益于SSG的剪切變硬效應(yīng)，復(fù)合材料在拉伸（圖2h-i）、壓縮（圖2j-k）和高速?zèng)_擊（圖2i-m）下，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。ML-SSG的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)在沖擊防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖2. ML-SSG的結(jié)構(gòu)可編輯性及基本力學(xué)性能


【復(fù)合材料的力致發(fā)光拉伸傳感】


  新型復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸發(fā)光特性。隨著拉伸速率和拉伸應(yīng)變?cè)龃螅?/span>ML-SSG的發(fā)光強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，具有良好的線(xiàn)性相關(guān)性。循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)表明該材料具有良好的循環(huán)拉伸發(fā)光性能。此外，通過(guò)力致發(fā)光強(qiáng)度揭示了拉伸過(guò)程中的應(yīng)力分布，其結(jié)果與有限元模擬結(jié)果具有很好的一致性（圖3h-j）。應(yīng)力場(chǎng)的可視化是開(kāi)發(fā)ML-SSG復(fù)合材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)，其力致發(fā)光特性在沖擊可視化和力學(xué)性能監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖3. 不同拉伸速率和拉伸應(yīng)變下的力致發(fā)光感知


【復(fù)合材料的沖擊防護(hù)性能和沖擊可視化】


  由于ML-SSG具有顯著的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)，使得其能有效地減弱外部沖擊，吸收沖擊能量。相比于商用的防護(hù)材料，復(fù)合材料能夠顯著地降低沖擊峰值力和延緩沖擊時(shí)間，從而減輕沖擊的危害。此外，基于力致發(fā)光特性，ML-SSG在實(shí)現(xiàn)沖擊保護(hù)的同時(shí)，還能可視化沖擊過(guò)程。其發(fā)光光強(qiáng)與沖擊過(guò)程中的能量大小具有很好的線(xiàn)性相關(guān)性，可以通過(guò)光強(qiáng)大小直觀地感知沖擊傷害的強(qiáng)度，并且其沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)也通過(guò)光強(qiáng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了很好的可視化呈現(xiàn)（圖5g-h）。相比于傳統(tǒng)的電學(xué)控制的智能防護(hù)材料，ML-SSG能夠無(wú)源地進(jìn)行沖擊的傳感和可視化預(yù)警。


圖4. ML-SSG復(fù)合材料的抗沖擊性


圖5. ML-SSG復(fù)合材料的沖擊可視化


【復(fù)合材料的阻燃防護(hù)性能】


  ZnS:Cu和SiO2的加入使得ML層表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性能，能夠顯著的降低熱釋放和氣體排放量。得益于封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得復(fù)合材料ML-SSG表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃防護(hù)性能，能夠在火焰點(diǎn)燃10s后，仍然保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種優(yōu)異的阻燃防護(hù)性能使得復(fù)合材料能夠運(yùn)用于復(fù)雜的力-熱耦合環(huán)境中。


圖6. ML層和ML-SSG復(fù)合材料的阻燃防護(hù)性能


【復(fù)合材料的應(yīng)用演示】


  ML-SSG可以作為可穿戴設(shè)備來(lái)充當(dāng)沖擊的防護(hù)層和感知層，可以有效的減少?zèng)_擊傷害并進(jìn)行可視化預(yù)警（圖7a）。由于空腔結(jié)構(gòu)的可編輯性，可以設(shè)計(jì)不同的圖形進(jìn)行可視化顯示，如USTC、蝴蝶、花朵等，實(shí)現(xiàn)了多樣化的顯示。基于ML-SSG可視化傳感的特性，其可與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，進(jìn)行信息的傳遞和信息交互。通過(guò)對(duì)手寫(xiě)字符的識(shí)別，可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)源的可視化控制。


圖7 ML-SSG復(fù)合材料用于圖形顯示和人機(jī)交互


【總結(jié)】


  該研究通過(guò)將ZnS:Cu/PDMS@SiO2力致發(fā)光層與剪切變硬材料SSG組裝，開(kāi)發(fā)了復(fù)合材料ML-SSG。ML-SSG具有明顯的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)，以及優(yōu)異的沖擊能量耗散性能。力致發(fā)光特性賦予ML-SSG特殊的顯示功能，可以通過(guò)光強(qiáng)場(chǎng)可視化應(yīng)力場(chǎng)，使沖擊過(guò)程可視化，在潛在沖擊傷害的預(yù)警和提示中發(fā)揮重要作用。該復(fù)合材料具有良好的熱防護(hù)性能，可應(yīng)用于復(fù)雜的力-熱耦合環(huán)境中，并且，基于ML-SSG良好的信息傳遞功能，可用于非接觸式信息傳輸，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。這項(xiàng)工作為新一代可穿戴防護(hù)材料的沖擊防護(hù)和智能監(jiān)測(cè)提供了新的研究視角。


  原文鏈接：

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

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