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  有機硅復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的生物相容性，在智能設(shè)備、柔性電子及沖擊防護等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，該材料固有的粘彈特性導(dǎo)致其難以通過傳統(tǒng)加工方法制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且有機硅橡膠本身并不具備導(dǎo)電性能，這些因素嚴重制約了其在多功能集成器件中的應(yīng)用。因此，開發(fā)一種能夠同時實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型、力學(xué)性能和導(dǎo)電功能集成的有機硅復(fù)合材料具有十分重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價值。

  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界面工程輔助3D打印的有機硅復(fù)合材料。通過界面工程改性，顯著提升了空心玻璃微球的鍍銀效率，將表面鍍銀的空心玻璃微球作為流變改性和力-電增強填料引入PDMS基體中，得到可用于DIW打印的新型有機硅復(fù)合材料。該復(fù)合材料兼具優(yōu)異的沖擊防護性能和電磁屏蔽功能，實現(xiàn)了多模態(tài)防護性能的集成。與此同時，其還能用于3D打印以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，顯著拓展了該復(fù)合材料在工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

  相關(guān)研究近日以“Interface Engineering Assisted 3D Printing of Silicone Composites with Synergistically Optimized Impact Resistance and Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness”為題發(fā)表于《Small》期刊上，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)院碩士生俞佳駿，通訊作者為龔興龍教授和劉帥博士后。

【復(fù)合材料的制備與表征】

  采用化學(xué)浸漬法在空心玻璃微球的表面引入一層聚多巴胺膜，該薄膜作為HGM與銀之間的界面結(jié)合層，其所含有的鄰苯二酚和吲哚官能團還可以作為化學(xué)吸附位點，這使得鍍銀效率大大提高。

圖1. 鍍銀空心玻璃微球的制備及表征

【復(fù)合材料的流變性能優(yōu)化】

  作者通過系統(tǒng)性地研究鍍銀空心玻璃微球（SHGMs）與PDMS的組分配比，確定了適用于3D打印的最佳配比（圖2）。SHGMs作為流變改性劑，將其引入到PDMS后，復(fù)合材料SHP前驅(qū)體均表現(xiàn)出剪切稀化的行為，但體系粘度隨著SHGMs含量的提高而提高。當其含量達到74wt%時，SHP前驅(qū)體的儲能模量G’大于損耗模量G’’，這有利于材料擠出后形狀的保持。最后，通過擠出仿真實現(xiàn)了配比優(yōu)化，最終確定74wt%含量的SHGMs為最佳配比。

圖2. SHP前驅(qū)體的流變性能優(yōu)化和擠出模擬

【復(fù)合材料的形貌和理化性能表征】

  為系統(tǒng)研究SHP復(fù)合材料的綜合性能，作者進一步對其進行了理化性能表征，包括微觀形貌觀察、力學(xué)、電學(xué)性能測試及長期穩(wěn)定性分析。首先，從SEM圖像（圖3a-d）中可以看出：打印的圖案表面并未出現(xiàn)缺陷和裂痕，證明了SHP材料的可打印性和均質(zhì)性。在梯度壓縮實驗中，SHP的能量耗散始終高于HP和PDMS，其力學(xué)響應(yīng)相較準靜態(tài)測試有所降低，但總體還是隨著應(yīng)變的增加而穩(wěn)定增加；電學(xué)響應(yīng)中電阻隨著應(yīng)變的增加而增大，但增幅較低；在循環(huán)測試中，材料的力學(xué)和電學(xué)性能都保持良好，并未出現(xiàn)明顯下降。綜合測試數(shù)據(jù)顯示，SHP具有高壓縮模量、優(yōu)異的導(dǎo)電性和長期穩(wěn)定性。

圖3. SHP復(fù)合材料的形貌和理化性能表征

【復(fù)合材料的抗沖擊性能】

  引入空心玻璃微球使得SHP具有優(yōu)異的能量耗散能力，因此，對SHP進行了抗沖擊和彈道測試。相比于商用的防護材料，SHP能夠顯著地降低峰值力、延緩沖擊時間并有效耗散了沖擊能量，從而降低了沖擊危害。

圖4. SHP復(fù)合材料的抗沖擊性能

【復(fù)合材料的電磁屏蔽性能】

  SHP具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，因此對其測試了電磁屏蔽性能。結(jié)果表明： SHP復(fù)合材料的電磁屏蔽效能隨著SHGMs含量、厚度的增加而相應(yīng)地增加。SHP的主導(dǎo)屏蔽機制是由于SHP與外部空間阻抗不匹配而導(dǎo)致的反射損失，高占比的SEA表明電磁波在入射到復(fù)合材料內(nèi)部后發(fā)生了有效的吸收損失。

圖5. SHP復(fù)合材料的電磁屏蔽性能

【復(fù)合材料用于負泊松比結(jié)構(gòu)】

  相對于傳統(tǒng)材料加工方法的局限性，SHP的可打印性使其能夠快速、精準地制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的正泊松比材料在彎曲時會形成馬鞍形表面，導(dǎo)致復(fù)合材料不能完全貼合防護物體表面，而負泊松比材料能夠在彎曲時產(chǎn)生圓頂狀雙曲面，從而為防護對象提供更全面的保護。抗沖擊和電磁屏蔽效果通常會因結(jié)構(gòu)的不同而發(fā)生改變，因此，探究了多種負泊松比材料在抗沖擊、電磁防護領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖6. SHP復(fù)合材料用于負泊松比結(jié)構(gòu)

  本研究通過界面工程開發(fā)了SHGM，將其作為流變改性和力電增強劑引入到有機硅橡膠中，制得的有機硅復(fù)合材料同時實現(xiàn)了優(yōu)異的抗沖擊性、EMI屏蔽效能和長期穩(wěn)定性，且可用于3D打印以實現(xiàn)快速制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)。最后，將SHP用于負泊松比結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)更全面的保護能力。本工作為開發(fā)高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型、多功能集成的智能防護材料提供了新的研究視角。

  原文鏈接：

  Yu Jiajun, Liu Shuai, Wang Purun, Li Zimu, Duan Shilong, Sang Min, Wang Sheng and Gong Xinglong. Interface Engineering Assisted 3D Printing of Silicone Composites with Synergistically Optimized Impact Resistance and Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness. Small. 2025, 2500323.

  https://doi.org/10.1002/smll.202500323