多功能剪切變硬膠復(fù)合材料的研制與性能研究.pdf

1、近年來，全球范圍內(nèi)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(hù)的重要性。雖然目前輕質(zhì)、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(hù)材料，但這些材料的力學(xué)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(guān)的響應(yīng)，無法滿足于未來智能可穿戴防護(hù)系統(tǒng)的需求。因此，開發(fā)防護(hù)性能更加優(yōu)越，舒適度更高的新型智能人體防護(hù)材料以取代傳統(tǒng)的硬質(zhì)、厚重的材料顯得越來越迫在眉睫。

2、r>　　剪切增稠材料是應(yīng)變率相關(guān)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(dāng)外界應(yīng)力的應(yīng)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(zhuǎn)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(guān)注。
　　本文基于剪切變硬膠體材料，以設(shè)計新型多功能防護(hù)材料為目的，成功制備了幾種新型的智能防護(hù)材料及器件，既有效提高了高分子材料

3、的力學(xué)性能，又使得其具備多方面響應(yīng)性能，實現(xiàn)了材料性能的智能化和可控化。具體的研究內(nèi)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(yīng)力具有雙重刺激-響應(yīng)性能的新型多功能復(fù)合材料。研究結(jié)果表明該多功能材料具有優(yōu)異的剪切變硬效應(yīng)和磁流變性能，材料強度可以通過外界磁場和剪切應(yīng)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(yīng)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(yīng)。這種智能材料的力學(xué)性能也可以通過改變顆粒物的種類和含量而加以調(diào)控。更重要的是，該材料的剪切變硬效應(yīng)也可以通過調(diào)節(jié)磁場和剪切力的頻率大小而加以精確調(diào)控。最后，多功能材料的刺激-響應(yīng)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(xué)性能和預(yù)磁化增強效應(yīng)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(yīng)力的頻率增加而迅速增大以外，還具備較理想的預(yù)磁化效應(yīng)，即在使用之前給予材料較小的磁場預(yù)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(yīng)，而后續(xù)較高的力學(xué)強度不依賴于外界刺激的加載?；谄漭^好的剪切變硬效應(yīng)，當(dāng)外界剪切應(yīng)力的刺激頻率從0.1Hz上升到100Hz時，復(fù)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(yù)結(jié)構(gòu)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(yù)磁化增強效應(yīng)，且該增強的力學(xué)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(dǎo)致的粒子之間相互作用是該復(fù)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(xué)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(hù)復(fù)合材料。該種襯墊顯示出了優(yōu)良剪切變硬效應(yīng)，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(fù)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(fù)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(hù)人體的目的。另外，測試結(jié)果表明即使在受到嚴(yán)重破壞后復(fù)

8、合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)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(xué)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(yīng)變率相關(guān)導(dǎo)電性和自愈性能的剪切變硬納米復(fù)合材料。由于碳納米管的引入，該種材料具有理想的導(dǎo)電性和力學(xué)強度，顯示出了較好的力傳感性能和抗沖擊效應(yīng)。當(dāng)受到外界剪切刺激時，該多功能復(fù)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(yīng)。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(fù)壓阻效應(yīng)，顯示其具有優(yōu)良的力傳感效應(yīng)。其應(yīng)變率相關(guān)的壓阻效應(yīng)也被進(jìn)一步研究。良好的自愈性能確保了材料能夠被反復(fù)破壞和恢復(fù)。因此，基于其剪切變硬、應(yīng)變率相關(guān)的導(dǎo)電性等特點，該復(fù)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(fù)合材料的機理也被提出，B-O化學(xué)鍵相互作用所導(dǎo)致的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和在外界刺激下材料微觀結(jié)構(gòu)的變化分別是導(dǎo)致其剪切變硬性能和應(yīng)變

10、率相關(guān)的導(dǎo)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(hù)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(hù)效應(yīng)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(xué)性能和傳感效應(yīng)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和動態(tài)沖擊條件下的針刺實驗結(jié)果表明該復(fù)合材料能夠吸收大量能量，其防護(hù)性能比純纖維得到極大提高。復(fù)合材料的最大抗沖擊力