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中國科大龔興龍教授課題組《Adv. Funct. Mater.》：基于剪切變硬的力致發光器件用于力-熱耦合防護和沖擊可視化

2024-09-11 來源：高分子科技

剪切變硬膠（Shear stiffening gel，SSG）作為一種先進的功能材料，遇強則強。由于這種對應變率極其敏感的動態響應行為，在沖擊防護領域得到了廣泛的關注。然而，基于SSG的智能沖擊防護可穿戴設備，通常需要依賴于復雜的電路設計來實現智能化的感知，這阻礙了沖擊相關損傷的及時顯示，因此，亟需開發能夠實現自給自足的沖擊可視化的智能防護材料，可視化的設計為開發新型高性能智能沖擊防護材料提供了新的思路。

鑒于此，中國科學技術大學龔興龍教授團隊研發出一種基于剪切變硬膠的力致發光智能材料。通過將剪切變硬膠SSG以填充封裝的方法與力致發光復合材料ZnS:Cu/PDMS進行組裝，在保留SSG的沖擊防護性能的同時實現了沖擊、刮擦、拉伸等受力情況下的可視化。該復合材料具有優異的沖擊防護性能，能夠耗散沖擊過程中80%的沖擊能量，防護性能遠優于商用的防護材料。此外，基于力致發光的特性，復合材料能夠對沖擊過程進行可視化，能夠及時顯示沖擊傷害，并以光強場實現了應力場的可視化呈現。通過結構化封裝，復合材料表現出優異的阻燃防護性能，使得復合材料適用于復雜的力-熱耦合環境中。最后，將復合材料與人工智能相結合，實現了遠程信息傳輸和人機交互的功能。該智能可穿戴材料結合了沖擊保護、力可視化、遠程控制和阻燃防護，為新一代可穿戴沖擊防護材料提供了有意義的指導。該工作近日在線發表在材料類頂級期刊《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科學技術大學工程科學學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。該研究得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金的資助和支持。

【復合材料的制備與表征】

通過仿蜂窩的形式，將SSG填充到ZnS:Cu/PDMS的空腔中形成復合材料ML-SSG。這種空腔結構設計可以有效的發揮SSG的剪切變硬作用。通過掃描電鏡對ZnS:Cu/PDMS層進行了表征，結果表明ZnS:Cu顆粒成功地填充到PDMS的基材中，實現了良好的嵌入。

圖1. ML層和ML-SSG復合材料的制備與表征

【復合材料的力學性能】

由于空腔結構的可編輯性，復合材料能夠實現形狀和空腔的多樣性編輯（圖2a）。在循環壓縮試驗中，ML-SSG在75次壓縮循環后表現出較高的機械穩定性，在25%應變下，抗壓強度保持80%，殘余應變僅為3%（圖2g）。得益于SSG的剪切變硬效應，復合材料在拉伸（圖2h-i）、壓縮（圖2j-k）和高速沖擊（圖2i-m）下，表現出明顯的應變率增強效應。ML-SSG的應變率增強效應在沖擊防護領域具有廣闊的應用前景。

圖2. ML-SSG的結構可編輯性及基本力學性能

【復合材料的力致發光拉伸傳感】

新型復合材料展現出優異的拉伸發光特性。隨著拉伸速率和拉伸應變增大，ML-SSG的發光強度也隨之增強，具有良好的線性相關性。循環拉伸實驗表明該材料具有良好的循環拉伸發光性能。此外，通過力致發光強度揭示了拉伸過程中的應力分布，其結果與有限元模擬結果具有很好的一致性（圖3h-j）。應力場的可視化是開發ML-SSG復合材料的一個顯著特點，其力致發光特性在沖擊可視化和力學性能監測方面具有廣闊的應用前景。

圖3. 不同拉伸速率和拉伸應變下的力致發光感知

【復合材料的沖擊防護性能和沖擊可視化】

由于ML-SSG具有顯著的應變率增強效應，使得其能有效地減弱外部沖擊，吸收沖擊能量。相比于商用的防護材料，復合材料能夠顯著地降低沖擊峰值力和延緩沖擊時間，從而減輕沖擊的危害。此外，基于力致發光特性，ML-SSG在實現沖擊保護的同時，還能可視化沖擊過程。其發光光強與沖擊過程中的能量大小具有很好的線性相關性，可以通過光強大小直觀地感知沖擊傷害的強度，并且其沖擊過程中產生的應力場也通過光強場實現了很好的可視化呈現（圖5g-h）。相比于傳統的電學控制的智能防護材料，ML-SSG能夠無源地進行沖擊的傳感和可視化預警。

圖4. ML-SSG復合材料的抗沖擊性

圖5. ML-SSG復合材料的沖擊可視化

【復合材料的阻燃防護性能】

ZnS:Cu和SiO₂的加入使得ML層表現出優異的阻燃性能，能夠顯著的降低熱釋放和氣體排放量。得益于封裝結構的設計，使得復合材料ML-SSG表現出優異的阻燃防護性能，能夠在火焰點燃10s后，仍然保持結構的穩定性。這種優異的阻燃防護性能使得復合材料能夠運用于復雜的力-熱耦合環境中。

圖6. ML層和ML-SSG復合材料的阻燃防護性能

【復合材料的應用演示】

ML-SSG可以作為可穿戴設備來充當沖擊的防護層和感知層，可以有效的減少沖擊傷害并進行可視化預警（圖7a）。由于空腔結構的可編輯性，可以設計不同的圖形進行可視化顯示，如USTC、蝴蝶、花朵等，實現了多樣化的顯示�；�ML-SSG可視化傳感的特性，其可與神經網絡相結合，進行信息的傳遞和信息交互。通過對手寫字符的識別，可以對機器人進行精準的控制，實現遠程無源的可視化控制。

圖7 ML-SSG復合材料用于圖形顯示和人機交互

【總結】

該研究通過將ZnS:Cu/PDMS@SiO₂力致發光層與剪切變硬材料SSG組裝，開發了復合材料ML-SSG。ML-SSG具有明顯的應變率增強效應，以及優異的沖擊能量耗散性能。力致發光特性賦予ML-SSG特殊的顯示功能，可以通過光強場可視化應力場，使沖擊過程可視化，在潛在沖擊傷害的預警和提示中發揮重要作用。該復合材料具有良好的熱防護性能，可應用于復雜的力-熱耦合環境中，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，實現人機交互。這項工作為新一代可穿戴防護材料的沖擊防護和智能監測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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（責任編輯：xu）

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