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中國科大龔興龍教授團隊 JMCC 封面論文:一種柔性防護電子皮膚
2025-01-20  來源:高分子科技

  為解決傳統柔性防護材料難以抵御耦合威脅的局限,多功能防護材料的研發已成為關鍵。工程應用中常見的跌落、碰撞等沖擊威脅,以及復雜環境中的高溫、燒蝕等熱威脅,要求防護材料具備力熱耦合防護功能,例如消防員既需防護沖擊,又需抵御熱損傷。傳統防護材料的抗沖擊與隔熱能力通常是固定的,難以根據環境或用戶需求進行靈活調整,這使得它們難以滿足復雜環境中的適應性要求。另外,具備智能感知能力的主動反饋型防護材料逐漸成為一個備受關注的方向。如何在多種防護功能的基礎上,進一步集成防護材料的環境響應能力與智能調控和感知功能,具有重要的科學意義與應用價值。


  針對上述問題,中國科學技術大學龔興龍教授課題組研制了一種具有良好抗沖擊性和隔熱性能的柔性防護電子皮膚,其是基于剪切增稠材料與形狀記憶材料復合制備的,由形狀記憶復合泡沫夾層與導電聚合物薄膜構成。特別地,力-熱防護性能可以通過形狀記憶變形動態調控,展現出更強的適應性和靈活性。此外,柔性防護電子皮膚還集成了壓力、沖擊和高溫多模態傳感能力,基于此開發了沖擊-熱報警系統,展現出在災難救援中的應用潛力。



  該研究成果發表于《Journal of Materials Chemistry C》期刊,題為“A flexible protective electronic skin with tunable anti-impact and thermal insulation properties for potential rescue applications”,并被選為封面論文。


  柔性防護電子皮膚(Flexible Protective Electronic Skin, FPES)展現出良好的形狀記憶特性。在50%壓縮編程應變條件下,其形狀固定率和形狀恢復率分別為81.8%和99.8%。這種形狀記憶性能賦予了FPES在電路中作為溫度開關應用的獨特優勢(圖1)。


圖1 柔性防護電子皮膚的形狀記憶性能


  此外,FPES具有優異的沖擊防護能力,能夠保護掉落的玻璃酒杯和陶瓷茶碗。隨著壓縮編程應變的增加,最大沖擊力隨之增大。在溫度升高時,編程后的FPES能夠自展開,從而擴大保護區域,增強對溫度變化的響應能力(圖2)。同樣,FPES的熱防護能力可通過形狀記憶變形改變器件的厚度和面積調控,成為熱管理和紅外隱身應用的有力候選者(圖3)。


圖2 柔性防護電子皮膚的抗沖擊性能及其調控


圖3 柔性防護電子皮膚的熱防護性能調控


  作為智能傳感器,FPES的工作原理類似于平行板電容,在壓力作用下,電極層間距減小,電容增加。FPES可進一步開發為可穿戴腕帶,傳輸加密信息;并能監測沖擊過程;壓縮編程后的FPES表現出與溫度相關的電容變化,展現出多模式的傳感能力(圖4)。


圖4 柔性防護電子皮膚的傳感性能


  基于CP-FPES開發了一種沖擊與高溫警報系統,當監測到沖擊和高溫時,系統將發送短信提示并激活警報聲。另外,FPES還可以用于增強防護服的抗沖擊性和隔熱性,監測消防員的呼吸與運動,提升救援人員的安全性。這些應用突出了FPES在災難救援中的廣闊前景(圖5)。


圖5 柔性防護電子皮膚在災難救援中的潛在應用


  綜上所述,論文研制的柔性防護電子皮膚是一種具有可調力-熱耦合保護功能的智能傳感柔性防護材料,有望推動下一代智能防護結構材料的發展。論文的第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士研究生王文慧,通訊作者為中國科學技術大學工程科學學院龔興龍教授和王勝副教授。該研究得到了中國國家自然科學基金以及中國科學技術大學微納研究與制造中心的資助與支持。


  原文鏈接:Wang WH, Wang S, Li ZM, Zhou JY, Liu S, Xuan TT, Zhang JS, Gong XL. A flexible protective electronic skin with tunable anti-impact and thermal insulation properties for potential rescue applications. Journal of Materials Chemistry C, 13: 1146-1156, 2025.

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/tc/d4tc04519j

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(責任編輯:xu)
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