2020-12-16 07:01 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客
原創 Cell Press CellPress細胞科學
物質科學
Physical science
2020年12月2日，中國科學技術大學宣守虎教授、龔興龍教授團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上發表綜述文章，題目為「Shear stiffening gels for intelligent anti-impact applications」。在這篇綜述中，作者對近年來剪切變硬膠在製備方法、材料性能、力學機理方面的工作進行總結；並詳細介紹了剪切變硬膠及其複合材料在柔性衝擊傳感、能量耗散、阻尼控制以及人體防護等方面的實際應用；最後展望了剪切變硬膠作為智能抗衝擊材料的發展前景。
▲圖1. 剪切變硬膠材料及其應用
剪切變硬膠材料
剪切變硬膠是一種低交聯度的硼矽氧烷聚合物矽橡膠，通常由二甲基矽油或羥基矽油、與硼酸和過氧化苯甲醯在高溫下合成。在自然狀態下，剪切變硬膠表現為粘塑性狀態，具有典型的冷流特性。而在高應變率衝擊載荷下，由於體系中B-O鍵動態交聯作用，材料的粘度、模量迅速增加，出現應變率相關的增強效應。此外，這種「柔軟-堅硬」的轉變模式具有完全可逆性。因此，基於材料的應變率相關特性，剪切變硬膠是一種理想的柔性防護基體材料。
柔性抗衝擊剪切變硬膠複合材料設計
利用聚合物橡膠材料良好的物理與化學相容性，剪切變硬膠可以均勻分散在柔性基體材料中(例如Kevlar纖維、聚氨酯海綿等)，可實現抗衝擊性能與能量耗散水平的顯著提升。同時，在剪切變硬膠中引入特定的磁性顆粒、導電顆粒、力致發光顆粒，賦予了材料多場耦合特性。通過探索電、磁、熱信號與宏觀力學參數的對應關係，可實現剪切變硬複合材料在衝擊過程中的原位監測，實時捕捉材料緩衝吸能中的動態力學信號。
智能抗衝擊剪切變硬膠複合材料應用
剪切變硬膠的基礎理論得到不斷加深，其在工程中的實際應用研究也得到逐步深化。在振動控制領域，剪切變硬膠作為阻尼器材料的內核，可以更加有效耗散結構在衝擊荷載下的能量，並可以通過引入磁性顆粒實現阻尼器的半主動控制。在人體防護領域，將導電剪切變硬膠引入到Kevlar纖維中，通過模擬高速彈道衝擊測試，發現複合材料相比於純Kevlar纖維具有更高的抗穿透能力。同時，材料穩定的電信號響應可實時反饋結構的受力情況與損傷等級。此外，在能源領域，剪切變硬膠材料可與納米摩擦發電材料結合，設計出兼具自發電供能、可靠抗衝擊性能的可穿戴智能柔性器件，可用於人體日常運動過程中關節的保護與運動狀態的監測。
小結
剪切變硬膠作為一種粘彈性智能材料，相比於傳統的剪切增稠液體材料，具有更好的結構穩定性，儲存便捷性以及力學性能可逆性。利用其獨特的應變率相關特性，剪切變硬膠及其複合材料在振動控制、人體防護、可穿戴設備等領域有著廣闊的應用前景。作者期望這篇綜述可以吸引更多的研究人員關注並參與剪切變硬膠材料的研究，設計性能更加優異，適用範圍更廣的新一代剪切變硬智能器件。
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