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中國科大龔興龍教授團隊《Adv. Funct. Mater.》：通過形狀記憶效應增強抗沖擊性的仿生半主動防護設計

2023-01-08 來源：高分子科技

自然生物可以通過改變它們的形狀和結構，以應對環境刺激，提高生存能力。例如，含羞草在受到刺激時會立即合攏葉片，這種反應行為有助于其避免暴風雨的沖擊損傷。另外，貓從高樓墜落時會發生翻正反射，以減小沖擊傷害。因此，開發變形增強抗沖擊性能的防護材料或結構極具吸引力。

中國科學技術大學龔興龍教授團隊報告了一種通過形狀記憶結構變形增強抗沖擊能力的半主動防護策略。首先將聚己內酯（PCL）和剪切變硬彈性體（SSE）共混制備了熱刺激形狀記憶復合材料（PCLE）。基于PCLE-50%智能材料設計了多種半主動防護結構，當結構響應溫度變形后，其抗沖擊性能顯著提升。另外，還開發了一套智能力熱耦合防護服，除優異的沖擊防護外，還表現出增強的隔熱效果。這種通過形狀記憶誘導結構調整增強抗沖擊性的方法可能為功能和智能防護應用的設計和開發提供新的見解。相關研究以“Bio-inspired Semi-active Safeguarding Design with Enhanced Impact Resistance via Shape Memory Effect”為題發表于最新一期《Advanced Functional Materials》上，論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士生王文慧，通訊作者為龔興龍教授，王勝副研究員及馬玉乾副研究員。

【復合材料的制備與表征】

熱激活形狀記憶復合材料（PCLE）是通過將PCL與SSE共混后高溫高壓制備而成（圖1）。PCLE表現出率相關的力學行為，隨著應變率的增加，楊氏模量和抗拉強度增加，斷裂應變減小（圖2）。利用差示掃描量熱法研究了PCLE的熱轉變，由于PCL的相變，材料出現了明顯的吸熱峰，PCL含量越高，熔融溫度越高。將熔融溫度視為其轉變溫度，即PCLE-50%的轉變溫度為53.4℃。PCLE-50%具有優異的形狀記憶性能，其形狀固定率和恢復率可達97.9%和91.1%。通過編程和恢復，PCLE-50%可以通過水浴和熱風加熱實現由三維圓柱到二維矩形、螺旋條到直線條、卷曲的葉子展開、花朵綻放和蝴蝶展翅的過程。另外，建立了有限元模型模擬了蝴蝶形PCLE-50%在形狀編程和恢復時的位移和應力變化。

圖1. PCLE的制備流程示意圖

圖2. PCLE的性能表征

【單支結構的制備和表征】

基于PCLE-50%優異的力學性能和穩定的形狀記憶性能，采用拉伸編程后的PCLE-50%、金屬膜和Kapton膠帶組裝單支結構（ASPE）（圖3）。當溫度升高時，由于PCLE-50%的收縮受到金屬薄膜和Kapton膠帶的約束，ASPE彎曲變形。ASPE利用金屬膜焦耳熱加熱。通過測試恢復角和恢復時間來評價高溫下ASPE的彎曲變形能力，并探究了恢復電壓，預拉伸應變和尺寸比的影響。通過落錘沖擊實驗表明， EVA泡沫和PCL的抗沖擊效果較差。而SSE和PCLE-50%顯示出更好的力耗散性能，其最大沖擊力均小于硅橡膠和PDMS。在所有沖擊高度下，形狀恢復后的PCLE-50%的最大沖擊力顯著降低，沖擊時間顯著延長，反映了抗沖擊性能的進一步增強。

圖3. 單支結構的制備和表征

【多支結構的變形過程及防護性能】

由于單支結構可以快速、可重復地在平面和彎曲狀態之間切換,進一步組裝多分支結構（AMPE）來模擬花瓣或夾持器的閉合，并通過有限元手段對AMPE高溫加載、冷卻、卸載和形狀恢復四個過程進行了仿真。與ASPE類似，AMPE也表現出增強的沖擊力耗散性能。恢復后的AMPE-4的最大沖擊力比無防護降低了88.9%，比恢復前衰減了79.4%。使用高速攝影記錄了AMPE-3和R-AMPE-3的沖擊過程，R-AMPE-3類似彈簧儲存和緩沖沖擊能量。

圖4. 形狀記憶誘導的結構調整過程及其防護性能

【復雜結構的多模態變形與沖擊能量吸收】

基于ASPE和AMPE的變形原理，即彎曲方向始終背離金屬薄膜一側，成功設計組裝了復雜結構（ACPE）。在圖5中給出了由一個方形結構變換而來的三種不同變形。受相同方法的啟發，從二維柵格結構形成各種3維記憶形狀，經過高溫恢復，分別得到了卷曲結構、啞鈴結構和燈籠結構。還制造了許多其他結構，包括三角形結構，矩形結構和六邊形結構。另外，金屬膜的分段布局為控制最終的三維幾何形狀提供了一種新的途徑。例如，通過在PCLE表面中線放置三個金屬薄條可以實現波浪形。此外，還制備了雙層結構，該結構可以從二維平面變形為三維彎曲-膨脹結構。盡管圖5中結構變形復雜，但最初的編程方法都是非常簡單的面內拉伸。

圖5. 復雜結構的多模態變形與沖擊能量吸收

通過落錘沖擊試驗（高度300 mm）分析了不同結構的抗沖擊性能。使用錘頭沖擊前后的動能差評價ACPE在沖擊過程中的能量吸收能力(?E)。結構調整后，各結構的?E均有所提升。雙層結構的?E由0.73 J增加到1.32 J，增幅達80.8%。進一步建立了簡化的有限元模型，模擬結構調整前后在300mm落錘沖擊下的雙層結構變形過程。結果表明，ACPE除具有良好的沖擊力衰減特性外，還具有良好的沖擊能量吸收和耗散性能。

【智能服裝的開發】

最后，利用PCLE優異的沖擊防護性能和智能溫度響應特性，以設計的可變形雙層ACPE結構為夾層，進一步開發了智能防護服(圖6)。智能夾層在響應溫度后發生彎曲膨脹變形。當溫度超過轉變溫度時，智能防護服的內外織物因夾層的變形而撐開。制備的智能防護服表現出增強的沖擊防護和隔熱保溫性能。最后，ACPE除了作為衣服的夾層外，還可以用于服裝裝飾（圖7）。

圖6. 具有沖擊-熱耦合防護性能的智能可穿戴服裝

圖7 智能裝飾服裝

【小結】

本研究通過SSE和PCL雙網絡制備了熱觸發形狀記憶復合材料，結合金屬薄膜和Kapton膠帶制備了不同的半主動防護結構。除了利用材料固有阻尼和損傷吸能外，基于結構的響應變形為提高傳統抗沖擊材料的沖擊耗能提供一種新的途徑。通過結構變形增強了抗沖擊性和能量吸收能力。最后，利用雙層結構開發了具有沖擊防護和隔熱保溫功能的智能服裝，展示了在可穿戴防護設備中的潛在應用。這項工作為開發可變形、可穿戴和智能防護設備提供了創新手段。

原文鏈接：

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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（責任編輯：xu）

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