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中國科大龔興龍教授課題組《Compos. Part B-Eng.》：具有阻燃抗沖擊傳感性能的預(yù)警-防護(hù)一體化剪切增稠復(fù)合海綿
2024-04-23  來源：高分子科技

  防護(hù)裝備是人體生命安全和精密儀器穩(wěn)定工作的重要保障，隨著社會發(fā)展，傳統(tǒng)的材料體系已經(jīng)無法有效應(yīng)對日益復(fù)雜的極端環(huán)境，發(fā)展新型智能防護(hù)材料成為提高人們生存能力和儀器工作壽命的有效手段。在眾多防護(hù)材料中，海綿材料因其輕質(zhì)量、高回彈的特性被廣泛應(yīng)用于沖擊防護(hù)領(lǐng)域，然而，在極端環(huán)境中發(fā)生的機械沖擊往往伴隨著熱損傷，傳統(tǒng)海綿材料難以抵御耦合傷害且無法向外界即時傳輸信息，嚴(yán)重威脅了人員與儀器安全。因此，如何基于復(fù)雜環(huán)境對材料進(jìn)行定向優(yōu)化，實現(xiàn)極端環(huán)境中的全方位防護(hù)是一項重要課題。


  鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授課題組在《Composites Part B-Engineering》期刊上發(fā)表了題為“An integrative warning-protection shear thickened composite sponge towards sensing performance and impact resistance with excellent flame retardant”的論文。該論文將二氧化硅顆粒及阻燃添加劑分散在親水性離子液體（[EOHMIM]BF4）中制備出阻燃型剪切增稠液（P-STF）。采用超聲輔助浸漬的方法，將STF復(fù)合到海綿材料上，研制出具有阻燃抗沖擊傳感性能的預(yù)警-防護(hù)一體化剪切增稠復(fù)合海綿（P-STF/Sponge）。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的設(shè)計與制備


  研究人員采用球磨分散的方式將二氧化硅顆粒分散到高熱穩(wěn)定性的離子液體中配制剪切增稠液，以超聲輔助浸漬的方法制備了機械性能良好的P-STF/Sponge復(fù)合材料（圖1）。二氧化硅表面豐富的羥基官能團與離子液體之間可以形成氫鍵，在外部剪切作用下，表現(xiàn)出顯著的剪切增稠現(xiàn)象（圖2），將STF引入海綿材料后，海綿材料壓縮峰值力增大，且表現(xiàn)出明顯的率相關(guān)性。 


圖1. P-STF/Sponge復(fù)合材料的制備工藝示意圖及樣品表征圖。



圖2. P-STF/Sponge復(fù)合材料的流變性能及機械性能。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的防護(hù)性能


  由于STF在液固轉(zhuǎn)變的過程中可以吸收大量的能量，因此有望提高復(fù)合材料的防護(hù)性能。對材料進(jìn)行了不同高度的落錘沖擊實驗，結(jié)果表明，引入P-STF后，材料在落錘沖擊下檢測到的峰值力更低，且隨著P-STF含量的增加，復(fù)合材料的沖擊力衰減更為明顯。通過有限元模擬，從微觀力學(xué)角度描述了復(fù)合材料的抗沖擊性能，結(jié)果表明，多種損傷模式的協(xié)同作用增強了復(fù)合材料的抗沖擊性能（圖3）。 


圖3.P-STF/Sponge復(fù)合材料的防護(hù)性能。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的傳感性能


  基于離子液體的P-STF具有導(dǎo)電特性，此外，海綿材料獨特的輕質(zhì)柔韌性使其具備作為柔性可穿戴設(shè)備的潛力，因此復(fù)合形成的P-STF材料可被應(yīng)用于傳感領(lǐng)域。研究人員記錄了復(fù)合材料在不同應(yīng)變下的傳感信號，電阻隨應(yīng)變呈規(guī)律性變化，且在同應(yīng)變下表現(xiàn)出良好的循環(huán)回復(fù)性；對復(fù)合材料進(jìn)行了外界激勵下的人體監(jiān)測實驗，表明其有望應(yīng)用于智能穿戴領(lǐng)域；最后，將復(fù)合材料組裝成陣列模式，形成的傳感器陣列能夠準(zhǔn)確感知外界刺激（圖4）。 


圖4.P-STF/Sponge復(fù)合材料的傳感性能。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的阻燃性能


  阻燃性能是復(fù)合材料在極端環(huán)境中實現(xiàn)全方位防護(hù)必不可少的功能。研究人員利用熱穩(wěn)定特性良好的離子液體作為分散介質(zhì)，同時引入阻燃添加劑，賦予了復(fù)合材料可靠的阻燃性能。經(jīng)過阻燃P-STF的修飾，極度易燃的海綿材料具備了離火自熄的阻燃能力，且擁有高達(dá)33%的極限氧指數(shù)，表現(xiàn)出了良好的火災(zāi)安全性（圖5）。 


圖5. P-STF/Sponge復(fù)合材料的阻燃性能。


P-STF/Sponge復(fù)合材料的預(yù)警性能


  在危險發(fā)生之前及早預(yù)警，是筑起預(yù)防或減輕傷害的第一道防線。P-STF復(fù)合材料良好的抗沖擊性能、阻燃性能和靈敏的傳感能力，使其同時具有感應(yīng)沖擊和火災(zāi)報警性能。通過無線沖擊與火災(zāi)報警應(yīng)用演示，說明了復(fù)合材料具有集預(yù)警與防護(hù)一體化的功能，有望應(yīng)用于消防領(lǐng)域（圖6）。


圖6.P-STF/Sponge復(fù)合材料的預(yù)警性能。


  綜上所述，該工作研制了一種具有阻燃抗沖擊傳感性能的預(yù)警-防護(hù)一體化剪切增稠復(fù)合海綿，該復(fù)合材料不僅保證了極端環(huán)境下對機械損傷和熱損傷的廣泛防御，也能夠在危險發(fā)生時及時傳輸信息，在輕量化智能防護(hù)裝備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。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)院博士研究生潘雨成，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院龔興龍教授和博士后桑敏。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、中國博士后科學(xué)基金的資助和支持。


  原文鏈接：Yucheng Pan, Min Sang, Junshuo Zhang, Zimu Li, Shuai Liu, Zhentao Zhang, Qian Ma and Xinglong Gong. An integrative warning-protection shear thickened composite sponge towards sensing performance and impact resistance with excellent flame retardant. Compos. Pt. B-Eng. 279 (2024): 111466.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111466

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