今天是:2021年10月20日 首 页>>新 闻 动 态>>阅读新闻
新 闻 动 态
全 部 新 闻
学术交流
内部活动
综合新闻
最 新 动 态
孙帅帅教授与汪伯潮博士
胡涛、孙传林、张帅帅顺
中国科大龚兴龙教授课题
IMVC实验室第一次羽毛球
龚兴龙教授等参加实验力
桑敏顺利通过博士答辩
吴宇轩顺利通过硕士答辩
龚兴龙教授等参加全国实
龚兴龙教授入选2020“中
合肥科技馆展览教育部赴
最 热 新 闻
龚兴龙教授等参加实验力
方特冬游
龚兴龙教授参加了在美国
宣守虎博士加盟实验室
龚兴龙教授获得了杰青资
黄山春游
春游徽州宏村和江西婺源
龚兴龙教授被任命为学院
徐振邦通过博士论文答辩
澳大利亚University of
 
中国科大龚兴龙教授课题组CEJ: 具有优异力学性能的先进多功能Kevlar复合材料
分类:学术交流 发表时间:2021-08-24 阅读次数:289

     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“百人计划”-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

[返回顶部]