近年來，自然界中生物的自適應(yīng)進(jìn)化現(xiàn)象為高性能結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)提供了豐富的靈感。這些生物通過億萬年的進(jìn)化，形成了獨(dú)特且高效的結(jié)構(gòu)，如穿山甲殼的分段層狀結(jié)構(gòu)、豪豬刺的核殼多孔結(jié)構(gòu)、海龜殼的薄片堆疊結(jié)構(gòu)以及犀牛角的卷曲柱狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了輕量化，還兼具高強(qiáng)度、高韌性與高抗沖擊的卓越特性。其中，鮑魚這一古老的軟體動物，其堅(jiān)硬的外殼更是生物進(jìn)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典范。鮑魚殼微觀結(jié)構(gòu)類似于建筑中的磚泥結(jié)構(gòu)，其中磚塊由堅(jiān)硬的礦物質(zhì)構(gòu)成，而灰泥則由柔軟的有機(jī)物構(gòu)成。這種磚泥結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于，它能夠通過斷裂、剪切、粘附以及互鎖等多種機(jī)制來耗散能量，從而達(dá)到遠(yuǎn)超單一材料成分的防護(hù)效果。因此，仿珍珠層結(jié)構(gòu)無疑為開發(fā)新型高性能抗沖擊結(jié)構(gòu)材料提供了新的思路。
鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種仿珍珠層剪切變硬膠基智能材料。這種材料采用雙向冷鑄與氮?dú)馔嘶鸸に，通過自組裝形成了獨(dú)特的二維納米片蒙脫土（MMT）/MXene層狀網(wǎng)絡(luò)，并利用超聲浸漬與真空干燥技術(shù)，將具有應(yīng)變率敏感特性的剪切變硬膠（SSG）引入其中，制備出一種集能量耗散、多軸傳感、自我修復(fù)與焦耳熱療等多種功能于一體的智能材料。仿珍珠層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)賦予了這種智能材料優(yōu)良的沖擊防護(hù)性能，能夠將高達(dá)1308.1 N的沖擊力大幅減低至370.4 N，其性能超越了多種商用工程材料。通過有限元分析，進(jìn)一步揭示了該材料在裂紋擴(kuò)展、孔隙壓實(shí)與磚塊滑移等多個尺度上的協(xié)同耗能機(jī)制。此外，借助MXene各向異性導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，該智能材料可以作為電子皮膚，在智能感知與熱管理方面發(fā)揮重要作用。這一獨(dú)特的仿生設(shè)計(jì)策略為輕質(zhì)防護(hù)裝甲與可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域提供了新的思路。相關(guān)研究成果以“Nacre-inspired MMT-MXene integrated shear-stiffening gel composites for personal safeguard and multi-functional electronics”為題，發(fā)表在國際Top期刊《Composites Part B: Engineering》。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)院碩士生李子木，通訊作者為龔興龍教授與王勝副教授。
【智能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】
圖1 仿生結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)
圖2 新型雙向冷鑄工藝
【智能材料力學(xué)表征】
圖3 復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性
圖4 應(yīng)變率敏感力學(xué)性能
圖5 沖擊載荷防護(hù)性能
圖6 多尺度協(xié)同耗能機(jī)理
【智能材料力-電-熱耦合研究】
圖7智能感知與熱管理功能研究
【智能防護(hù)裝備研發(fā)】
圖8 智能防護(hù)裝備研發(fā)
原文鏈接：
Zimu Li, Sheng Wang, Wenhui Wang, Jianpeng Wu, Zhentao Zhang, Danyi Li, Jinyu Yang, Junshuo Zhang, Yu Wang, Xinglong Gong. Nacre-inspired MMT-MXene integrated shear-stiffening gel composites for personal safeguard and multi-functional electronics. Composites Part B: Engineering 2024, 111526. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111526.
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111526
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