廣泛存在的機械沖擊和電磁干擾對人體安全和設(shè)備運行造成了潛在的威脅,這對開發(fā)多功能抗沖擊和電磁屏蔽材料提出了迫切的需求。目前防護材料的研發(fā)多基于合金、陶瓷和聚合物,其中聚合物基防護材料因其輕質(zhì)、柔性和可加工性好而備受關(guān)注。在聚合物基體中引入功能填料被認為是增強抗沖擊和電磁屏蔽性能的最通用策略,然而這種方法無法提供優(yōu)越的綜合性能,且對填料含量具有較高要求,對整體密度和加工成本均帶來負面影響。仿生結(jié)構(gòu)材料為高性能功能材料的研發(fā)提供了豐富的靈感,其中珍珠層結(jié)構(gòu)指導(dǎo)了多種對單一的沖擊/電磁干擾有優(yōu)異防護效果的材料的設(shè)計和制備。然而,兼具高性能機械沖擊和電磁干擾雙模態(tài)防護性能的結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)仍然是一個挑戰(zhàn),這限制了其在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的應(yīng)用。
鑒于此,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團隊報告了一種仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料。通過雙向冷凍與氮氣退火工藝制備殼聚糖(CS, Chitosan)/MXene層狀骨架,然后利用超聲輔助浸漬與室溫干燥引入具有剪切硬化特性的聚硼硅氧烷(SSG, shear stiffening gel),得到具有優(yōu)異沖擊防護和電磁屏蔽性能的結(jié)構(gòu)材料。通過應(yīng)變率增強、結(jié)構(gòu)致密化、片層位錯和裂紋生長的多尺度協(xié)同耗能機理,仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料可有效衰減85.9% ~ 92.8%的沖擊力。得益于微米尺度的交替多層結(jié)構(gòu)促進了電磁波的反射損失,該復(fù)合材料在極低的導(dǎo)電填料負載下(1.1 ~ 1.3 wt%),達到了47.2 ~ 71.8 dB的卓越電磁屏蔽(EMI,electromagnetic interference)效能。此外,該復(fù)合材料有望應(yīng)用于沖擊監(jiān)測和無線報警系統(tǒng),并表現(xiàn)出可通過多種仿生策略的組合實現(xiàn)性能優(yōu)化的潛力。本工作為構(gòu)建輕質(zhì)、高性能和多功能的仿珍珠層防護復(fù)合材料提供了可靠的策略。相關(guān)研究以“Nacre-Mimetic Hierarchical Architecture in Polyborosiloxane Composites for Synergistically Enhanced Impact Resistance and Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding”為題發(fā)表于最新一期《ACS Nano》上,論文第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士生劉帥,通訊作者為龔興龍教授和王勝副研究員。
【復(fù)合材料的制備與表征】
圖2. 仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料的微觀形貌與力學(xué)性能
【微觀結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的影響】
圖3. 對照組聚硼硅氧烷基復(fù)合材料的微觀形貌與力學(xué)響應(yīng)
圖4. 仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料的微觀形貌與力學(xué)響應(yīng)
【復(fù)合材料的抗沖擊性能】
通過落錘測試探究了不同結(jié)構(gòu)聚硼硅氧烷基復(fù)合材料的抗沖擊性能(圖5)。相較于純SSG基體,三維骨架增強復(fù)合材料的沖擊力衰減性能均有所提升。在低高度下(5 cm),由于多孔骨架的破壞吸能,S-CM-D防護性能相對較好,其余高度下均為仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料達到最優(yōu),且其峰值力性能衰減優(yōu)于多種常見緩沖材料。進一步地,比較了不同材料的密度和比能量吸收,相較于SSG基體,仿珍珠層結(jié)構(gòu)設(shè)計策略在降低密度的同時顯著提高了比能量吸收。通常來說,優(yōu)化密度與增加吸能是相互排斥的,本策略為防護材料的輕質(zhì)化與高耗能的協(xié)同優(yōu)化提供了建設(shè)性的指導(dǎo)。
圖6. 仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料的多尺度耗能機理
【仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料的電磁屏蔽性能】
圖7. 仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料的電磁屏蔽性能
【仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料的應(yīng)用演示】
S-CM良好的導(dǎo)電性賦予了其應(yīng)用于沖擊監(jiān)測領(lǐng)域的潛力(圖8)。在沖擊條件下,導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通過屈曲、收縮和彎曲變形促進了相鄰CM片層的接觸和新的導(dǎo)電通路的形成,導(dǎo)致電導(dǎo)率上升,這使得其可通過電流變化反饋沖擊激勵,并可集成于無線傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)遠程報警,揭示了其應(yīng)用于智能安全防護裝備的前景。
圖8. 仿珍珠層聚硼硅氧烷基復(fù)合材料的應(yīng)用演示
【小結(jié)】
原文鏈接:
Shuai Liu, Sheng Wang, Min Sang, Jianyu Zhou, Junshuo Zhang, Shouhu Xuan and Xinglong Gong, Nacre-Mimetic Hierarchical Architecture in Polyborosiloxane Composites for Synergistically Enhanced Impact Resistance and Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding, ACS Nano, 2022, DOI: 10.1021/acsnano.2c08104
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08104
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