生命安全是人类在各个历史时期均需面对的重大社会问题。随着科技日新月异的进步，可穿戴防护设备也取得了长足的发展。无论是古代武侠小说中的“软猬甲”，还是美国等发达国家开启的“未来士兵计划”中的新型防弹衣，都显示出：对于可穿戴防护设备，不仅要轻便柔软、力学性能良好，更要对于人体信息做出监测，实现多功能化。
▲ 武侠小说中的“软猬甲”与现代士兵装备
随着个人安全意识的提高，开发具有防护性能的可穿戴设备，保护人类远离危险已经成为迫切需求。然而，大多数可穿戴器件由于其力学性能较弱，只能承受如关节弯曲、面部表情等轻微的人体运动，而难以抵抗如碰撞或子弹冲击等危险。来自中国科学技术大学的龚兴龙课题组基于Kevlar织物的力学设计，开发了一种具有优异力学性能的复合材料（MS-Kevlar）。由于其灵敏的传感与热管理功能，并在受冲击不失效的同时为使用者提供有效的保护，因此可以灵活地运用在可穿戴器件与智能防护设备中。
▲ 摘要图
【基于MXene的灵敏传感能力】
作者将MXene、剪切变硬胶（SSG）与Kevlar复合，MXene在Kevlar上形成了有效的导电通路，实现了材料的多功能化。通过记录外部刺激所引起的电阻变化，实现传感功能。结果显示，MS-Kevlar不仅可以对于人体咳嗽、吞咽、脉搏等微弱生理信号做出响应，还可以通过不同电阻变化反映手指的弯曲幅度。此外，基于MS-Kevlar的传感阵列可以探测小球下落时冲击区域的空间分布。
▲ 基于MS-Kevlar的电学性能与传感功能
【基于焦耳效应的热管理功能】
在过去，Kevlar通常仅用于抗冲击领域，而忽略了对于其他防护性能的开发。基于焦耳效应，MS-Kevlar良好的导电性使其可以在寒冷天气保护人体免受低温侵害。通过将MS-Kevlar裁剪为不同形状，并加以覆盖不同材料，可以根据需要设计出适合佩戴的防护/热管理腕带。
▲ 基于MS-Kevlar加热器件的电热性能
▲ 基于MS-Kevlar腕部防护/热管理器件
【弹道冲击下的抗冲击力学性能及仿真】
Kevlar纤维因其轻量化和优异的力学性能而被广泛应用于防护领域。作者通过将SSG与Kevlar复合，显著提高了Kevlar纤维间的摩擦力，使得MS-Kevlar在弹道冲击下的力学性能远优于纯Kevlar。双层纯Kevlar在双边固支边界条件下通过Recht-Ipson方程拟合出的极限速度为80.2 m/s。与SSG复合后的MS-Kevlar在194.2 m/s的弹道冲击下依然不会被侵彻。
▲ MS-Kevlar在高速冲击下的防护能力
通过有限元模拟探究了MS-Kevlar的力学性能提升机理。当子弹接触到Kevlar纤维时，应力波在x轴和z轴上以相同的速度传播。当传递到边界时，垂直于z轴的应力波不累积，纤维应力小，不承担荷载。垂直于x轴的纤维被约束，并承受主要载荷。在侵彻过程中，垂直于z轴的纤维束由于没有受到约束而有被拉出的趋势。有限元结果表明，纯Kevlar纤维束之间的摩擦低，容易被拉出。但MS-Kevlar纤维间摩擦较大，中心纤维束不易被拉出。同时，摩擦力带动更多的纤维束参与到变形中，从而耗散子弹动能。因此，MS-Kevlar具有更好的抗弹道性能。
▲ 弹道冲击过程中的有限元模拟
明胶往往在弹道实验中用于模拟人体组织，在这项工作中作者对比了无保护、纯Kevlar保护与MS-Kevlar保护的明胶在弹道冲击下的破坏情况。值得一提的是，纯Kevlar由于纤维摩擦小，被抽出的Kevlar纤维束还会对明胶造成割伤，出现二次伤害，而MS-Kevlar很好地避免了这一问题。
▲ 弹道冲击明胶视频
▲ 弹道冲击纯Kevlar防护明胶视频
▲ 弹道冲击纯MS-Kevlar防护明胶视频
SSG具有明显的应变率效应，其在受到冲击时具有耗散能量的能力，因此在冲击下可以提供良好的保护。无论是低速冲击还是高速冲击，MS-Kevlar在SSG与Kevlar的协同作用下可以在冲击后保持原有特性，不发生失效。
▲ 低速冲击下的力学与电学响应
▲ 高速冲击下的力学与电学响应
MS-Kevlar作为一种新型材料，具有优异的力学性能和稳定的电学性能。在此基础上，开发了一种能够充分利用这些优点的智能窗帘。其抗冲击性能保证了防护能力，导电性使其能够灵活地实现热管理和智能冲击感知。
▲ 与蓝牙模组相连的MS-Kevlar
以上成果近期以“Advanced Functional Kevlar Composite with Excellent Mechanical Properties for Thermal Management and Intelligent Safeguarding”为题发表于TOP期刊《Chemical Engineering Journal》。论文第一作者为中国科大工程科学学院硕士研究生周建宇，通讯作者为中国科大工程科学学院龚兴龙教授和王胜副研究员。
该研究得到了国家自然科学基金；国家“双一流”专项资金；中国科学院战略性先导研究项目；中国科大“双一流”科研基金项目；中央高校基本科研业务费专项资金；中国科学院“人才计划”-青年人才计划的资助和支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131878