文章来源：“高分子科技”
随着人类防护意识的增强，人们对防护产品的要求越来越高，研制轻质抗冲击破坏的防护装备迫在眉睫。受三维材料的启发，研究者通过蜂窝结构、薄壁结构、泡沫结构等结构设计赋予材料多功能防护行为的同时达到了轻量化的目的。近年来，具有良好抗冲击性能的率相关性聚硼硅氧烷智能材料由于其优异的吸能效应和可加工性，在冲击防护领域得到了广泛的应用。然而，基体的高密度、高热导率限制了其在工程领域的应用。因此，结构设计无疑为研发轻质多功能防护复合材料提供了有效途径。
鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队研发了一种多孔剪切变硬复合泡沫。借助于互穿聚合物网络方法，将剪切变硬弹性体（Shear stiffening elastomer, SSE）与乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）结合，通过发泡工艺研制了具有力-热防护行为的智能防护材料。该复合材料具有低密度（0.38 g/cm3）的同时呈现出优异的回弹性（95.2%），在动态冲击载荷下具有优异的结构稳定和抗冲击性能。此外，通过引入相变材料，研制了具有良好储热性能的复合材料，能够有效衰减92.46%的冲击力，并在加热过程中保持温度稳定，拓展了复合材料在热管理领域的应用。借助于力-热耦合防护性能，该复合泡沫在消防服、冲击防护和热伪装等领域展现出潜在的应用前景。相关研究以“Lightweight porous shear stiffening composite foam with excellent mechanical-thermal coupling protection performance”为题发表于《Journal of Materials Chemistry C》上，论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士生轩婷婷，通讯作者为龚兴龙教授和王胜副教授。
【剪切变硬复合材料的制备与表征】
受三维多孔材料的启发，通过物理混合、高温聚合和发泡工艺将SSG、甲基乙烯基硅橡胶和EVA复合得到剪切变硬复合泡沫，具有优异的柔性和回弹性。多孔骨架的构建显著降低了复合材料的密度，与此同时，发泡剂及EVA有利于复合材料热导率及密度的降低。
图1 剪切变硬复合材料的制备及性能表征
【剪切变硬复合材料的力学表征】
为研究复合材料的力学行为，首先通过单轴加载-卸载实验开展了不同压缩工况下复合材料的压缩行为。不同压缩速率下的应力-应变曲线说明了复合材料应变率相关的力学特性。EVA的引入赋予了泡沫骨架增强的力学性能，随着EVA含量的增加，复合材料的压缩强度增加。而粘弹性SSE含量的降低使复合材料呈现出优异的可恢复性，最高恢复率达95.2%。此外，在1000次循环压缩测试中，复合材料的最大应力保持在首次循环的88.6%，具有良好的循环稳定性。随后，探究了室温下放置18周复合材料的压缩行为，其压缩强度保持稳定，具有长期应用的潜力。
图2 剪切变硬复合材料的压缩性能
剪切变硬效应和泡沫骨架压缩变形的协同作用保证了复合材料对外部冲击激励的自适应抵抗能力。在动态冲击载荷下，与SSE相比，该复合材料展现出良好的结构稳定性和防护性能，达到轻量化的同时具有优异的力衰减性能。为了进一步说明复合材料的防护优势，探究其与不同缓冲材料的防护行为，结合烧杯的自由落体演示实验，直观地反应了复合材料在防护领域应用的可行性。
图3 剪切变硬复合材料的抗冲击性能
【复合材料的热学行为表征】
得益于多孔网络的存在，具有非连续气相结构的多孔复合材料具有较低的导热系数。通过在不同温度工况下对复合材料的温度进行定量表征，复合材料呈现出优异的热防护性能，在-5-150 ℃的温度范围内实现了有效的隔热性能。在此基础上，探讨了复合材料在建筑及低温环境下的热防护行为，同时揭示了其热防护机理。
图4 剪切变硬复合材料的热防护性能
【热储能复合材料的研制与性能表征】
相变材料在热管理领域被广泛应用，基于复合材料三维多孔的结构特性，向其中引入石蜡赋予了复合材料热储能行为。在冲击载荷防护领域，复合材料在动态冲击过程中的变形和PW的破碎对能量的有效耗散使复合材料具有增强的缓冲性能。此外，结合温度-时间曲线和热模拟分析，石蜡的熔化吸热和结晶放热延缓了传热，进一步改善了复合材料的热防护性能。
图5 热储能复合材料的研制及性能表征
【复合材料的应用探究】
借助于良好的力-热耦合防护性能，该复合材料可应用于消防服（图6）和热伪装领域（图7）。复合材料可以将100.3 ℃的高温隔绝至52.3 ℃，充分展示了其在可穿戴热防护领域应用的潜力。此外，复合材料的力防护性能可以实现能量的有效耗散，避免人体在外界冲击下的损伤。特别地，良好的热防护性能使复合材料能够实现高温和低温物体的热伪装，具有可塑性的柔性复合材料可以被切割成各种形状以适用于多种场合。
图6 复合材料在消防服中的力-热耦合防护性能
图7 复合材料在热伪装中的应用。
【小结】
本工作通过结构设计的方法，提出了一种轻质多孔剪切变硬复合材料的设计策略。多孔结构设计不仅赋予复合材料优异的力学和热学防护性能，同时实现了密度的降低，达到轻量化的目的。在此基础上，研制了热储能复合材料并探究了复合材料在消防、热伪装领域的应用。本工作为开发轻质多功能结构复合材料提供了指导，在智能防护领域具有广阔的应用前景。
原文链接：
Tingting Xuan, Sheng Wang, Shuai Liu, Wenhui Wang, Zimu Li, Yuan Hu, Xinglong Gong. Lightweight porous shear stiffening composite foam with excellent mechanical-thermal coupling protection performance. Journal of Materials Chemistry C, 2024, DOI: 10.1039/D4TC01077A.
https://doi.org/10.1039/d4tc01077a