多功能剪切變硬膠復合材料的研制與性能研究.pdf

1、近年來，全球范圍內局部戰(zhàn)爭、地區(qū)沖突和恐怖襲擊頻繁發(fā)生，殺傷性武器性能不斷提高，日益凸顯人體安全防護的重要性。雖然目前輕質、高強度的纖維材料，如Kevlar纖維和聚乙烯纖維等已被開發(fā)和運用于防護材料，但這些材料的力學性能仍然有限且不可控，而且只能被動的承受外界的刺激而無法做出相關的響應，無法滿足于未來智能可穿戴防護系統(tǒng)的需求。因此，開發(fā)防護性能更加優(yōu)越，舒適度更高的新型智能人體防護材料以取代傳統(tǒng)的硬質、厚重的材料顯得越來越迫在眉睫。

2、r>　　剪切增稠材料是應變率相關的新型智能材料，主要包括剪切增稠液和剪切變硬膠體兩大類材料。剪切增稠材料的最大特點在于當外界應力的應變率超過臨界剪切速率時，材料粘度或者模量可以迅速增大，呈現(xiàn)出由柔性態(tài)急速轉變?yōu)閳杂补虘B(tài)的特性。而由于剪切變硬膠體材料具有無需密封，性能穩(wěn)定和易于制備等特點而受到越來越多的關注。
　　本文基于剪切變硬膠體材料，以設計新型多功能防護材料為目的，成功制備了幾種新型的智能防護材料及器件，既有效提高了高分子材料

3、的力學性能，又使得其具備多方面響應性能，實現(xiàn)了材料性能的智能化和可控化。具體的研究內容和成果安排如下:
　　1、將磁性粒子均勻混合到剪切變硬膠高分子聚合物中，成功地制備了一種對外界磁場和剪切應力具有雙重刺激-響應性能的新型多功能復合材料。研究結果表明該多功能材料具有優(yōu)異的剪切變硬效應和磁流變性能，材料強度可以通過外界磁場和剪切應力而加以定向控制。除了含有磁控性能以外，這種材料也可以隨著外界剪切應力的刺激而自動改變其流變性能，從而表

4、現(xiàn)出了優(yōu)異的剪切變硬(shear stiffening: S-ST)效應。這種智能材料的力學性能也可以通過改變顆粒物的種類和含量而加以調控。更重要的是，該材料的剪切變硬效應也可以通過調節(jié)磁場和剪切力的頻率大小而加以精確調控。最后，多功能材料的刺激-響應性能產(chǎn)生的主要是由瞬間的B-O交聯(lián)鍵和羰基鐵粒子鏈所引起的。
　　2、通過將釹鐵硼引入到剪切變硬膠體中，成功制備出一種具有優(yōu)良力學性能和預磁化增強效應的多功能剪切變硬膠體材料。研究表

5、明除了該材料的模量隨著外界剪切應力的頻率增加而迅速增大以外，還具備較理想的預磁化效應，即在使用之前給予材料較小的磁場預加載，即可使其在撤除磁場的情況下模量也能表現(xiàn)出較大提升效應，而后續(xù)較高的力學強度不依賴于外界刺激的加載?；谄漭^好的剪切變硬效應，當外界剪切應力的刺激頻率從0.1Hz上升到100Hz時，復合材料的儲能模量可以從102增大到106Pa。同時，樣品的硬度也可以通過改變剪切頻率和磁場大小而加以定向控制。更重要的是，該多功能聚合

6、物材料具有較高剩磁特性，樣品在經(jīng)過1200mT磁場的短暫預結構化處理之后，其儲能模量能從1.64MPa上升到2.34MPa，表現(xiàn)出了優(yōu)良的預磁化增強效應，且該增強的力學性能穩(wěn)定可靠，這說明其增強的性能不依賴于外界刺激的持續(xù)加載，可以節(jié)約大量能量。另外，所形成的粒子鏈以及高剩余磁場導致的粒子之間相互作用是該復合材料奇特性能的主要原因。最后，材料優(yōu)良的可塑性/粘附愈合性保證了其具有較可靠的力學性能和更長的使用壽命。
　　3、通過一種簡

7、單的“浸漬與干燥”法將剪切變硬膠體引入到聚氨酯海綿中，成功制備了一種新型聚氨酯基防護復合材料。該種襯墊顯示出了優(yōu)良剪切變硬效應，抗蠕變性能和耐沖擊性能。另外其理想的粘附性和疏水性賦予了材料被廣泛使用的可能。由于聚氨酯骨架的支撐作用，復合材料表現(xiàn)出了理想的抗蠕變性能，且其硬度是可控的，具有理想的阻尼特性。該復合材料也表現(xiàn)出了較優(yōu)良的抗沖擊性能，可以使外界沖擊力降低1個數(shù)量級，從而起到保護人體的目的。另外，測試結果表明即使在受到嚴重破壞后復

8、合材料的結構和力學性能都沒有顯著的衰減，說明材料具有很好的穩(wěn)定性。最后，該材料良好的粘附性和疏水性保證了其可靠的力學性能和更長的使用壽命。
　　4、通過運用一種簡便方法將多壁碳納米管分散到剪切變硬聚合物基體中，從而制備了一種新型的具有應變率相關導電性和自愈性能的剪切變硬納米復合材料。由于碳納米管的引入，該種材料具有理想的導電性和力學強度，顯示出了較好的力傳感性能和抗沖擊效應。當受到外界剪切刺激時，該多功能復合材料的模量能增加4個數(shù)

9、量級，顯示出優(yōu)良的剪切變硬效應。另外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該材料在受到不同刺激時具有不同的正負壓阻效應，顯示其具有優(yōu)良的力傳感效應。其應變率相關的壓阻效應也被進一步研究。良好的自愈性能確保了材料能夠被反復破壞和恢復。因此，基于其剪切變硬、應變率相關的導電性等特點，該復合材料可以吸收大量沖擊能量并感知外界沖擊力。最后，該復合材料的機理也被提出，B-O化學鍵相互作用所導致的玻璃化轉變溫度和在外界刺激下材料微觀結構的變化分別是導致其剪切變硬性能和應變

10、率相關的導電性能的原因。
　　5、通過將碳納米管和剪切變硬膠附著于Kevlar纖維表面，成功制備了一種具有優(yōu)良防護和力傳感性能的可穿戴電子織物材料。隨著剪切變硬膠體的引入，該新型電子織物材料顯示出了更強的抗沖擊性能，防護效應顯著增大。另外，由于碳納米管的均勻分散，該種織物表現(xiàn)出較理想的電學性能和傳感效應。在準靜態(tài)壓縮和動態(tài)沖擊條件下的針刺實驗結果表明該復合材料能夠吸收大量能量，其防護性能比純纖維得到極大提高。復合材料的最大抗沖擊力