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中國科大龔興龍教授團隊《Adv. Funct. Mater.》：通過形狀記憶效應(yīng)增強抗沖擊性的仿生半主動防護設(shè)計
2023-01-08  來源：高分子科技

  自然生物可以通過改變它們的形狀和結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對環(huán)境刺激，提高生存能力。例如，含羞草在受到刺激時會立即合攏葉片，這種反應(yīng)行為有助于其避免暴風(fēng)雨的沖擊損傷。另外，貓從高樓墜落時會發(fā)生翻正反射，以減小沖擊傷害。因此，開發(fā)變形增強抗沖擊性能的防護材料或結(jié)構(gòu)極具吸引力。



  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團隊報告了一種通過形狀記憶結(jié)構(gòu)變形增強抗沖擊能力的半主動防護策略。首先將聚己內(nèi)酯（PCL）和剪切變硬彈性體（SSE）共混制備了熱刺激形狀記憶復(fù)合材料（PCLE）；PCLE-50%智能材料設(shè)計了多種半主動防護結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)溫度變形后，其抗沖擊性能顯著提升。另外，還開發(fā)了一套智能力熱耦合防護服，除優(yōu)異的沖擊防護外，還表現(xiàn)出增強的隔熱效果。這種通過形狀記憶誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)調(diào)整增強抗沖擊性的方法可能為功能和智能防護應(yīng)用的設(shè)計和開發(fā)提供新的見解。相關(guān)研究以“Bio-inspired Semi-active Safeguarding Design with Enhanced Impact Resistance via Shape Memory Effect”為題發(fā)表于最新一期《Advanced Functional Materials》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)院博士生王文慧，通訊作者為龔興龍教授，王勝副研究員及馬玉乾副研究員。


【復(fù)合材料的制備與表征】


  熱激活形狀記憶復(fù)合材料（PCLE）是通過將PCL與SSE共混后高溫高壓制備而成（圖1）。PCLE表現(xiàn)出率相關(guān)的力學(xué)行為，隨著應(yīng)變率的增加，楊氏模量和抗拉強度增加，斷裂應(yīng)變減小（圖2）。利用差示掃描量熱法研究了PCLE的熱轉(zhuǎn)變，由于PCL的相變，材料出現(xiàn)了明顯的吸熱峰，PCL含量越高，熔融溫度越高。將熔融溫度視為其轉(zhuǎn)變溫度，即PCLE-50%的轉(zhuǎn)變溫度為53.4℃。PCLE-50%具有優(yōu)異的形狀記憶性能，其形狀固定率和恢復(fù)率可達97.9%和91.1%。通過編程和恢復(fù)，PCLE-50%可以通過水浴和熱風(fēng)加熱實現(xiàn)由三維圓柱到二維矩形、螺旋條到直線條、卷曲的葉子展開、花朵綻放和蝴蝶展翅的過程。另外，建立了有限元模型模擬了蝴蝶形PCLE-50%在形狀編程和恢復(fù)時的位移和應(yīng)力變化。 


圖1. PCLE的制備流程示意圖 


圖2. PCLE的性能表征


【單支結(jié)構(gòu)的制備和表征】


  基于PCLE-50%優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定的形狀記憶性能，采用拉伸編程后的PCLE-50%、金屬膜和Kapton膠帶組裝單支結(jié)構(gòu)（ASPE）（圖3）。當(dāng)溫度升高時，由于PCLE-50%的收縮受到金屬薄膜和Kapton膠帶的約束，ASPE彎曲變形。ASPE利用金屬膜焦耳熱加熱。通過測試恢復(fù)角和恢復(fù)時間來評價高溫下ASPE的彎曲變形能力，并探究了恢復(fù)電壓，預(yù)拉伸應(yīng)變和尺寸比的影響。通過落錘沖擊實驗表明， EVA泡沫和PCL的抗沖擊效果較差。而SSE和PCLE-50%顯示出更好的力耗散性能，其最大沖擊力均小于硅橡膠和PDMS。在所有沖擊高度下，形狀恢復(fù)后的PCLE-50%的最大沖擊力顯著降低，沖擊時間顯著延長，反映了抗沖擊性能的進一步增強。 


圖3. 單支結(jié)構(gòu)的制備和表征


【多支結(jié)構(gòu)的變形過程及防護性能】


  由于單支結(jié)構(gòu)可以快速、可重復(fù)地在平面和彎曲狀態(tài)之間切換,進一步組裝多分支結(jié)構(gòu)（AMPE）來模擬花瓣或夾持器的閉合，并通過有限元手段對AMPE高溫加載、冷卻、卸載和形狀恢復(fù)四個過程進行了仿真。與ASPE類似，AMPE也表現(xiàn)出增強的沖擊力耗散性能。恢復(fù)后的AMPE-4的最大沖擊力比無防護降低了88.9%，比恢復(fù)前衰減了79.4%。使用高速攝影記錄了AMPE-3和R-AMPE-3的沖擊過程，R-AMPE-3類似彈簧儲存和緩沖沖擊能量。


圖4. 形狀記憶誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)調(diào)整過程及其防護性能


【復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多模態(tài)變形與沖擊能量吸收】


  基于ASPE和AMPE的變形原理，即彎曲方向始終背離金屬薄膜一側(cè)，成功設(shè)計組裝了復(fù)雜結(jié)構(gòu)（ACPE）。在圖5中給出了由一個方形結(jié)構(gòu)變換而來的三種不同變形。受相同方法的啟發(fā)，從二維柵格結(jié)構(gòu)形成各種3維記憶形狀，經(jīng)過高溫恢復(fù)，分別得到了卷曲結(jié)構(gòu)、啞鈴結(jié)構(gòu)和燈籠結(jié)構(gòu)。還制造了許多其他結(jié)構(gòu)，包括三角形結(jié)構(gòu)，矩形結(jié)構(gòu)和六邊形結(jié)構(gòu)。另外，金屬膜的分段布局為控制最終的三維幾何形狀提供了一種新的途徑。例如，通過在PCLE表面中線放置三個金屬薄條可以實現(xiàn)波浪形。此外，還制備了雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以從二維平面變形為三維彎曲-膨脹結(jié)構(gòu)。盡管圖5中結(jié)構(gòu)變形復(fù)雜，但最初的編程方法都是非常簡單的面內(nèi)拉伸。


圖5. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多模態(tài)變形與沖擊能量吸收


  通過落錘沖擊試驗（高度300 mm）分析了不同結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。使用錘頭沖擊前后的動能差評價ACPE在沖擊過程中的能量吸收能力(?E)。結(jié)構(gòu)調(diào)整后，各結(jié)構(gòu)的?E均有所提升。雙層結(jié)構(gòu)的?E由0.73 J增加到1.32 J，增幅達80.8%。進一步建立了簡化的有限元模型，模擬結(jié)構(gòu)調(diào)整前后在300mm落錘沖擊下的雙層結(jié)構(gòu)變形過程。結(jié)果表明，ACPE除具有良好的沖擊力衰減特性外，還具有良好的沖擊能量吸收和耗散性能。


【智能服裝的開發(fā)】


  最后，利用PCLE優(yōu)異的沖擊防護性能和智能溫度響應(yīng)特性，以設(shè)計的可變形雙層ACPE結(jié)構(gòu)為夾層，進一步開發(fā)了智能防護服(圖6)。智能夾層在響應(yīng)溫度后發(fā)生彎曲膨脹變形。當(dāng)溫度超過轉(zhuǎn)變溫度時，智能防護服的內(nèi)外織物因夾層的變形而撐開。制備的智能防護服表現(xiàn)出增強的沖擊防護和隔熱保溫性能。最后，ACPE除了作為衣服的夾層外，還可以用于服裝裝飾（圖7）。


圖6. 具有沖擊-熱耦合防護性能的智能可穿戴服裝


 圖7 智能裝飾服裝


【小結(jié)】


  本研究通過SSE和PCL雙網(wǎng)絡(luò)制備了熱觸發(fā)形狀記憶復(fù)合材料，結(jié)合金屬薄膜和Kapton膠帶制備了不同的半主動防護結(jié)構(gòu)。除了利用材料固有阻尼和損傷吸能外，基于結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變形為提高傳統(tǒng)抗沖擊材料的沖擊耗能提供一種新的途徑。通過結(jié)構(gòu)變形增強了抗沖擊性和能量吸收能力。最后，利用雙層結(jié)構(gòu)開發(fā)了具有沖擊防護和隔熱保溫功能的智能服裝，展示了在可穿戴防護設(shè)備中的潛在應(yīng)用。這項工作為開發(fā)可變形、可穿戴和智能防護設(shè)備提供了創(chuàng)新手段。


  原文鏈接：

  Wenhui Wang, Sheng Wang, Jianyu Zhou, Huaxia Deng, Shuaishuai Sun, Tian Xue, Yuqian Ma and Xinglong Gong. Bio-inspired Semi-active Safeguarding Design with Enhanced Impact Resistance via Shape Memory Effect. Advanced Functional Materials, 2023, 2212093.

  DOI：10.1002/adfm.202212093

  https://doi.org/10.1002/adfm.202212093

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