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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(fā)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(yīng)變率極其敏感的動態(tài)響應(yīng)行為，在沖擊防護領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。然而，基于SSG的智能沖擊防護可穿戴設(shè)備，通常需要依賴于復(fù)雜的電路設(shè)計來實現(xiàn)智能化的感知，這阻礙了沖擊相關(guān)損傷的及時顯示，因此，亟需開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足的沖擊可視化的智能防護材料，可視化的設(shè)計為開發(fā)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(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團隊研發(fā)出一種基于剪切變硬膠的力致發(fā)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(fā)光復(fù)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(xiàn)了沖擊、刮擦、拉伸等受力情況下的可視化。該復(fù)合材料具有優(yōu)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(yuǎn)優(yōu)于商用的防護材料。此外，基于力致發(fā)光的特性，復(fù)合材料能夠?qū)_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(xiàn)了應(yīng)力場的可視化呈現(xiàn)。通過結(jié)構(gòu)化封裝，復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃防護性能，使得復(fù)合材料適用于復(fù)雜的力-熱耦合環(huán)境中。最后，將復(fù)合材料與人工智能相結(jié)合，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程信息傳輸和人機交互的功能。該智能可穿戴材料結(jié)合了沖擊保護、力可視化、遠(yuǎn)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(dǎo)。該工作近日在線發(fā)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(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)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(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金的資助和支持。

【復(fù)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(fù)合材料ML-SSG。這種空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效的發(fā)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(jié)果表明ZnS:Cu顆粒成功地填充到PDMS的基材中，實現(xiàn)了良好的嵌入。

圖1. ML層和ML-SSG復(fù)合材料的制備與表征

【復(fù)合材料的力學(xué)性能】

由于空腔結(jié)構(gòu)的可編輯性，復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)形狀和空腔的多樣性編輯（圖2a）。在循環(huán)壓縮試驗中，ML-SSG在75次壓縮循環(huán)后表現(xiàn)出較高的機械穩(wěn)定性，在25%應(yīng)變下，抗壓強度保持80%，殘余應(yīng)變僅為3%（圖2g）。得益于SSG的剪切變硬效應(yīng)，復(fù)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(xiàn)出明顯的應(yīng)變率增強效應(yīng)。ML-SSG的應(yīng)變率增強效應(yīng)在沖擊防護領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2. ML-SSG的結(jié)構(gòu)可編輯性及基本力學(xué)性能

【復(fù)合材料的力致發(fā)光拉伸傳感】

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

圖3. 不同拉伸速率和拉伸應(yīng)變下的力致發(fā)光感知

【復(fù)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(yīng)變率增強效應(yīng)，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(fù)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(fā)光特性，ML-SSG在實現(xiàn)沖擊保護的同時，還能可視化沖擊過程。其發(fā)光光強與沖擊過程中的能量大小具有很好的線性相關(guān)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(chǎn)生的應(yīng)力場也通過光強場實現(xiàn)了很好的可視化呈現(xiàn)（圖5g-h）。相比于傳統(tǒng)的電學(xué)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(yù)警。

圖4. ML-SSG復(fù)合材料的抗沖擊性

圖5. ML-SSG復(fù)合材料的沖擊可視化

【復(fù)合材料的阻燃防護性能】

ZnS:Cu和SiO₂的加入使得ML層表現(xiàn)出優(yōu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計，使得復(fù)合材料ML-SSG表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃防護性能，能夠在火焰點燃10s后，仍然保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種優(yōu)異的阻燃防護性能使得復(fù)合材料能夠運用于復(fù)雜的力-熱耦合環(huán)境中。

圖6. ML層和ML-SSG復(fù)合材料的阻燃防護性能

【復(fù)合材料的應(yīng)用演示】

ML-SSG可以作為可穿戴設(shè)備來充當(dāng)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(yù)警（圖7a）。由于空腔結(jié)構(gòu)的可編輯性，可以設(shè)計不同的圖形進行可視化顯示，如USTC、蝴蝶、花朵等，實現(xiàn)了多樣化的顯示。基于ML-SSG可視化傳感的特性，其可與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)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(zhǔn)的控制，實現(xiàn)遠(yuǎn)程無源的可視化控制。

圖7 ML-SSG復(fù)合材料用于圖形顯示和人機交互

【總結(jié)】

該研究通過將ZnS:Cu/PDMS@SiO₂力致發(fā)光層與剪切變硬材料SSG組裝，開發(fā)了復(fù)合材料ML-SSG。ML-SSG具有明顯的應(yīng)變率增強效應(yīng)，以及優(yōu)異的沖擊能量耗散性能。力致發(fā)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(yīng)力場，使沖擊過程可視化，在潛在沖擊傷害的預(yù)警和提示中發(fā)揮重要作用。該復(fù)合材料具有良好的熱防護性能，可應(yīng)用于復(fù)雜的力-熱耦合環(huán)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(xiàn)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(jiān)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(zé)任編輯：xu）

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