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中科大龚兴龙教授ACS Nano:仿珍珠层多级结构协同

时间:2022-11-17 20:46 点击次数:
 

  无处不在的机械冲击给军事、交通和体育应用的安全防护带来了潜在的风险,这就需要发展高效的抗冲击材料来确保个人的安全。此外,随着现代电子技术的蓬勃发展,各类电子设备的泛滥使用不可避免地产生了严重的电磁干扰,对人体健康和设备运行造成了重大威胁。目前,仿生结构复合材料已开发出针对单一威胁的出色保障措施,但对于冲击/电磁干扰耦合防护的协同实现仍然是一个挑战。

  中国科学技术大学龚兴龙教授和王胜副研究员课题组制备了一种仿珍珠层多级复合材料,它是由冻干构建的壳聚糖/MXene层状结构骨架嵌入剪切硬化聚硼硅氧烷基体中。通过应变率增强、结构致密化、片层位错和裂纹扩展的协同作用,复合材料可以有效地衰减85.9%-92.8%的冲击力,具有优异的耗能能力。由于交替多层结构促进了电磁波的反射损失,它在极低MXene负载下(1.1-1.3 wt%),达到了47.2-71.8 dB的超高效电磁屏蔽效能。此外,它还可用于冲击监测和无线报警系统,并可以通过多种仿生策略的组合实现性能优化。该复合材料提供了对人体和仪器的双重保护,在各种工程应用中具有广阔的前景。相关工作以“Nacre-Mimetic Hierarchical Architecture in Polyborosiloxane Composites for Synergistically Enhanced Impact Resistance and Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding”为题发表在《ACS Nano》上。

  首先,制备均匀的壳聚糖( CS)-MXene溶液,采用简便的双向冷冻方法制备层状CS-MXene支架。然后,在N2气氛中退火形成波浪状的微结构,得到退火后的CS-MXene支架。随后,将聚硼硅氧烷(SSG)-丙酮溶液在超声辅助下渗入到支架中,占据内部的空隙。最后,去除丙酮制备了SSG-CS-MXene(S-CM)结构纳米复合材料。CS分子链上的正电荷与MXene表面负电荷之间存在静电相互作用。在退火过程中,由于应力分布的不均匀,相对平坦的CS-MXene片会发生弯曲,形成波浪状的CM薄片。一个CM块体(0.09 g)可以反弹一个钢球(2.16 g,比它本身重24倍),并且恢复速度很快(约231 mm/s)。此外,还对其准静态压缩 特性进行了研究。基于动态B-O交联键,SSG表现出典型的速率依赖性粘弹性行为。对于S-CM纳米复合材料,截面显示出多级形态,其中CM片层作为骨架支撑渗透的SSG,抑制其固有的冷流特性。SSG作为填充相,通过氢键形成理想的界面组合,增强了整体力学性能。

  首先,通过双辊磨机将 CS粉末和MXene纳米片机械分散到SSG基体中,形成具有随机分布填充网络的复合材料(S-CM-R)。然后,采用无序冷冻法,将CS-MXene溶液置于外部温度为-20℃的模具中,制备了一种无序多孔网络嵌入式复合材料(S-CM-D)。同时,采用单向冷冻干燥技术制备了具有单向排列骨架的结构复合材料(S-CM-U)。与S-CM-D和S-CM-U不同的是,S-CM中CM片优先沿垂直于加载方向的单一方向排列,使其能够通过轻微的面外变形而不是严重的折叠和破碎来承受载荷。因此,它表现出中等的初始模量,没有明显的由结构倒塌产生的应力平台区。随后,整体结构趋于致密,由此产生的片层堆积和SSG挤压导致了应力的显著增加。所有仿珍珠层S-CM纳米复合材料的抗压强度都高于S-CM-D,更不用说S-CM-U,证实了这种仿生结构设计在承受载荷和进一步抗冲击方面的优势。

  图 4 不同片层尺寸的仿珍珠层多级S-CM纳米复合材料的力学性能及与对照组的流变性能比较

  将试样置于力传感器中心,冲击器从指定高度(H)自由,以研究不同结构纳米复合材料的抗冲击能力。不同冻铸工艺制备的三维骨架-SSG共存结构纳米复合材料的抗冲击性能主要来自于SSG基体的固有剪切强化效应和结构的协同耗能能力。压缩试验表明,S-CM-U的强度低于S-CM-D,导致防护性能较低。相比之下,在S-CM中,薄片沿最佳方向排列,通过产生小的面外变形来适应大的冲击载荷。随着高度的增加,致密结构通过片间位错和裂纹扩展进一步增加能量耗散,有利于形成良好的防护性能。随着高度的升高,高速冲击引起的增强剪切加筋效应有助于迅速加强对落锤运动的阻力,从而导致能量吸收增加。S-CM-III具有最优的吸能水平,其吸能值为0.47 J,相当于15 cm,比SSG(0.39 J)高20.5%。采用有限元模拟研究了S-CM纳米复合材料抗冲击性能的增强机理。在冲击过程中,主要产生垂直损伤,由于应力的周向传播诱发了水平和层间损伤。SEM图像可以看出在撞击过程中,初始的长程片层发生了明显的断裂,裂缝对能量的耗散具有缓冲作用。总之,通过设计更好的结构、控制构件的力学参数和采用更先进的复合材料制造技术,可以获得具有最佳防护性能的优良结构复合材料。

  垂直于片层方向的平均总屏蔽效能为47.2 dB,优于沿片层方向的平均总屏蔽效能39.7 dB。虽然后者表现出更好的导电性,但由于蜂窝状结构,电磁波在平行于片层定向入射时透射的概率更高。然而,在垂直入射的情况下,交替的多层CM结构使电磁波遭受多次反射损失,这无疑增强了电磁屏蔽性能。更重要的是,这种电磁屏蔽的优选方向与抗冲击的优选方向一致,这种协同保护性能将极大地扩展应用领域。与已报道的类似工作相比,制备的S-CM纳米复合材料具有更好的电磁屏蔽性能(47.2~71.8 dB),并且MXene负载较小,在1.3 wt %以内,代表了聚合物基电磁屏蔽材料的先进水平。

  S-CM纳米复合材料优异的导电性使其能够监测冲击激励。当落锤接触试样时,试样电流迅速增加,且随着冲击高度的升高(5~10 cm),从8.3 mA增加到22.6 mA。传感机制取决于被导电MXene纳米片包裹的CM片的冲击诱导变形。多级结构的网络可能经历了屈曲、收缩和弯曲变形,这有助于相邻纳米片的接触和随后的新导电路径的形成,导致电导率上升。基于S-CM的微型化、模块化系统将促进智能便携式安全防护装备的发展。此外,制备了22.5°和30°的不连续结构S-CM纳米复合材料,并对其冲击力衰减性能进行了研究。当扭转角为30°时,峰值力比S-CM-III(0°)有效减小8.1%,当扭转角减小到22.5°时衰减率进一步增大至9.0%。

  总之,该研究提出了一种用黏弹性SSG矩阵精确组装长距层状网络的多级结构复合材料,其具有良好的抗冲击和电磁屏蔽性能。该复合材料的冲击力衰减效果显著(85.9%~92.8%)。除了应变率增强承载能力外,SSG的多尺度能量耗散机制还包括结构致密化、片层摩擦和裂纹扩展,通过模拟和实验观测得到了较好的结果。由于导电网络和反射接口的精细调节,在1.1~1.3 wt %的MXene负载下,它获得了高达47.2~71.8 dB的高效电磁屏蔽效果。还展示了冲击感知和综合无线报警系统的应用潜力,同时论证了生物激励组合优化的可行性。人工双模防御结构复合材料为军事和航空航天工程领域开发轻质、高性能和多功能材料提供了可靠的策略。

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