香港理工大学姚海民团队Advanced Science：软盔甲提供硬驻防

发布日期：2024-07-01 11:03    点击次数：92

近日，香港理工大学机械工程学系姚海民团队在联接驻防性结构材料的柔韧性和抗冲击性之间的冲突方面赢得打破性进展。该团队利器用有剪切硬化(shear stiffening)性能的非牛顿凝胶和化学增强的超薄玻璃，建立出了一种新式的复合结构材料。该复合材料在静态荷载下可承受较大的蜿蜒形变，而在动态冲击荷载下又进展出优厚的刚性和吸能性能。该责任打破了在传统驻防结构材料中柔韧性与抗冲击性无法兼得的窘境。干系盘考限度以 “Hybridizing shear-stiffening gel and chemically-strengthened ultrathin glass sheets for flexible impact-resistant armor” 为题在Wiley旗下轮廓性期刊Advanced Science上 发表(http://doi.org/10.1002/advs.202403379)。香港理工大学机械工程学系博士后王旭超博士为该论文的第一作家，姚海民训诲为该论文的通信作家。

[盘考布景]

高性能抗冲击结构材料当作驻防性盔甲和盾牌的基础材料，在畅通驻防和军事驻防等范围一直备受缓和。在古代，金属铁等材料常被用来制作士兵的盔甲。跟着材料科学和技能的发展，现在具有轻质、高强度、高硬度的先进陶瓷被大宗愚弄于抗冲击驻防结构中。这些以金属或陶瓷基的驻防结构的抗冲击性动力自于材料本人的高刚度和高硬度，这使得它们天生穷乏柔性，很难为外形复杂或具有动态形变特色的对象提供驻防。为此，连年来学者们聘请高性能纤维或鳞片/柔性基质的组合结构来栽培驻防盔甲的可形变性。尽管这些柔性盔甲进展出了优异的可变形性以及邃密的能量采纳智商，但它们在受到动态冲击荷载后相通也会产生的较大的变形。在这种情况下，被保护对象不行幸免地会受到冲击而遭到伤害。因此，进军需要一种策略来和谐驻防结构材料的柔韧性和抗冲击性之间的矛盾冲突。

[限度简介]

“柔韧性”和“抗冲击”看似矛盾，但它们其实是材料在不同应变率下所进展出来的力学活动。为了让盔甲同期具有柔性（低应变率）和抗冲击性（高应变率），所用材料需具有率干系的力学性能。因此，盘考东谈主员将注意力聚焦在剪切硬化凝胶材料上，这类材料也常被称为“非牛顿粘性材料”。它们在低应变率下进展出较高的柔性或延展性，而在高应变率下则进展出较大的刚性和抗冲击性能。但非牛顿凝胶在静态或准静态下每每穷乏自撑抓智商，导致它们很难单独当作结构材料使用，需要与其它相宜的增强相(reinforcements)材料制作成复合材料使用。为了保证酿成的复合材料在低应变率下的柔性，增强相也需要具备可不雅的形变智商。盘考东谈主员受到当下贱行的手机折叠屏玻璃的启发，聘请化学强化超薄玻璃当作增强相。传统钠钙玻璃是一种易碎的脆性材料。然而，离子交换工艺不错将超薄钠钙玻璃（厚度≤100 μm）的抗弯强度栽培到1 GPa。使其大略屈膝很大的蜿蜒变形，是与剪切硬化凝胶行复合的祈望增强相材料。

在该项责任中，盘考东谈主员采器用有剪切硬化特色的聚硼硅氧烷（PBDMS）当作基质(Matrix)，化学强化的超薄钠钙玻璃（CSGS）当作增强相来制备柔性抗冲击复合盔甲。率先，为了将裂纹偏转增韧机制引入到超薄玻璃中，盘考东谈主员使用激光加工技能在超薄玻璃名义蚀刻出规章的周期性六边形图案。然后，聘请离子交换技能对超薄玻璃片现实了化学强化。随后，通过浸渍涂层经由将剪切硬化胶体PBDMS涂覆到超薄玻璃片上。临了，将涂覆有PBDMS的化学强化超薄玻璃片仿照贝母的Nacre结构进行拼装，得到了一种PBDMS/CSGS复合层合板结构（简称PCCL）。该层合板在保留了PBDMS和CSGS在准静态荷载下较高的柔性。在高速冲击荷载下，PCCL又进展出了较大的刚性和优良的能量采纳性能。实验限度标明，PCCL这种兼具柔性和抗冲击性能的层合板极具后劲发展成为柔性盔甲，为具有复杂外形（如气球等）的对象提供抗冲击驻防。

[图文导读]

图1. PCCL层合板的设战略略。（a）PCCL的制备经由表露图。（b）通过离子交换技能对超薄玻璃现实化学强化的表露图。在离子交换经由中尺寸较大的钾离子会取代玻璃名义尺寸较小的钠离子，从而在玻璃名义酿成一个残余压应力场，权贵提繁荣薄玻璃的抗弯强度。（c）PBDMS的剪切硬化责任机理表露图。在低应变率下，B-O动态键很容易分离，PBDMS呈现一种粘性胶体状况；而在高应变率下，B-O动态键考究蚁合在一谈，分子链互相交联，PBDMS呈现出坚贞状况。（d）化学强化超薄玻璃片的交错堆叠形状表露图。

图2. 化学强化超薄玻璃片，剪切硬化胶体PBDMS以及PCCL层合板的性能表征。（a）通过EPMA表征得到的平凡超薄玻璃片和化学强化超薄玻璃名义钾离子浓度沿厚度场地的变化弧线。（b）平凡超薄玻璃和化学强化超薄玻璃在三点蜿蜒测试下的力-挠度弧线。（c）PBDMS在流变测试下的储存模量和损耗模量弧线。（d）PBDMS的FTIR光谱，标明在PBDMS中存在B-O动态键。（e）饼状PBDMS样品在重力作用下的自流动效果。（f）饼状PBDMS样品在锤子准静态压缩和动态击打下的不同反应。（g）解放落球实验标明PBDMS在动态冲击下与弹性固体材料相似。（h）PCCL层合板在外力作用下产生的大蜿蜒变形。

图3. PCCL层合板在低应变率下的柔性表征。（a）通过准静态蜿蜒测试得到的PCCL层合板过甚对照样品的力-挠度弧线。（b）PCCL过甚对照样品在准静态蜿蜒测试场景下的能量采纳。此处的能量采纳是通过推敲力-挠度弧线下的面积得到。（c，d，e）三组样品在准静态蜿蜒测试下的最大形变快照图。

图4. PCCL层合板在高应变率下的抗冲击性能表征。（a）落锤冲击测试表露图。（b）通过落锤冲击测试得到PCCL层合板过甚对照样品的力-位移弧线。（c）PCCL层合板过甚对照样品在落锤冲击测试下的能量采纳和峰值力对比。（d）PCCL层合板和对照样品在落锤冲击测试下的能量采纳-峰值力Ashby图。

图5. PCCL层合板过甚对照样品在落锤冲击测试后的损害形色对比。红色虚线表露样品闹翻区域。

图6. PCCL层合板为充气气球提供抗（飞镖）冲击保护。（a）飞镖冲击气球实验表露图。（b）充气气球在有PCCL保护下和无保护状况下遇到飞镖挫折的限度对比。

[小结]

该盘考责任通过将剪切硬化凝胶和化学强化超薄玻璃复合，建立了一种柔性抗冲击复合层合板结构（PCCL）。在低应变率下，化学强化超薄玻璃片的高抗弯强度以及凝胶基质邃密的延展性赋予了PCCL优异的柔性；而在高应变率下，非牛顿凝胶的剪切硬化特色以及强化玻璃的预制名义图案对裂纹旅途的偏转效应差异赋予了PCCL较大的刚性和能量采纳智商。该责任将柔性和抗冲击性视为材料在不同应变率下的力学活动从而将这对性能矛盾体进行了有用的和谐，这一全新的剖判角度为和谐此类材料性能冲突绽开了新念念路。

该盘考团队在联接材料性能冲突方面积蓄了好多警戒，到手和谐过多对性能之间的冲突，包括:(1)传感器的高灵巧度和宽线性量程之间的矛盾(Nature Communications 2023, 14: 6641);(2)微结构名义的抗污损性能和透光性之间的矛盾(ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14: 7617)；(3)强粘传颂易脱附之间的矛盾(JMPS 2006, 54: 1120)等。

--检测干事--

起原：高分子科学前沿

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