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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警-防護一體化剪切增稠復合海綿

2024-04-23 來源：高分子科技

防護裝備是人體生命安全和精密儀器穩定工作的重要保障，隨著社會發展，傳統的材料體系已經無法有效應對日益復雜的極端環境，發展新型智能防護材料成為提高人們生存能力和儀器工作壽命的有效手段。在眾多防護材料中，海綿材料因其輕質量、高回彈的特性被廣泛應用于沖擊防護領域，然而，在極端環境中發生的機械沖擊往往伴隨著熱損傷，傳統海綿材料難以抵御耦合傷害且無法向外界即時傳輸信息，嚴重威脅了人員與儀器安全。因此，如何基于復雜環境對材料進行定向優化，實現極端環境中的全方位防護是一項重要課題。

鑒于此，中國科學技術大學龔興龍教授課題組在《Composites Part B-Engineering》期刊上發表了題為“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復合到海綿材料上，研制出具有阻燃抗沖擊傳感性能的預警-防護一體化剪切增稠復合海綿（P-STF/Sponge）。

P-STF/Sponge復合材料的設計與制備

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，表現出顯著的剪切增稠現象（圖2），將STF引入海綿材料后，海綿材料壓縮峰值力增大，且表現出明顯的率相關性。

圖1. P-STF/Sponge復合材料的制備工藝示意圖及樣品表征圖。

圖2. P-STF/Sponge復合材料的流變性能及機械性能。

P-STF/Sponge復合材料的防護性能

由于STF在液固轉變的過程中可以吸收大量的能量，因此有望提高復合材料的防護性能。對材料進行了不同高度的落錘沖擊實驗，結果表明，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，從微觀力學角度描述了復合材料的抗沖擊性能，結果表明，多種損傷模式的協同作用增強了復合材料的抗沖擊性能（圖3）。

圖3.P-STF/Sponge復合材料的防護性能。

P-STF/Sponge復合材料的傳感性能

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

圖4.P-STF/Sponge復合材料的傳感性能。

P-STF/Sponge復合材料的阻燃性能

阻燃性能是復合材料在極端環境中實現全方位防護必不可少的功能。研究人員利用熱穩定特性良好的離子液體作為分散介質，同時引入阻燃添加劑，賦予了復合材料可靠的阻燃性能。經過阻燃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33%的極限氧指數，表現出了良好的火災安全性（圖5）。

圖5. P-STF/Sponge復合材料的阻燃性能。

P-STF/Sponge復合材料的預警性能

在危險發生之前及早預警，是筑起預防或減輕傷害的第一道防線。P-STF復合材料良好的抗沖擊性能、阻燃性能和靈敏的傳感能力，使其同時具有感應沖擊和火災報警性能。通過無線沖擊與火災報警應用演示，說明了復合材料具有集預警與防護一體化的功能，有望應用于消防領域（圖6）。

圖6.P-STF/Sponge復合材料的預警性能。

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警-防護一體化剪切增稠復合海綿，該復合材料不僅保證了極端環境下對機械損傷和熱損傷的廣泛防御，也能夠在危險發生時及時傳輸信息，在輕量化智能防護裝備領域具有廣闊的應用前景。論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士研究生潘雨成，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博士后桑敏。該研究得到了國家自然科學基金項目、中國博士后科學基金的資助和支持。

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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（責任編輯：xu）

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