多功能剪切变硬胶复合材料的研制与性能研究

发布时间：2018-03-01 04:36

本文关键词： 剪切变硬人体防护智能材料力传感性能 Kevlar纤维　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,全球范围内局部战争、地区冲突和恐怖袭击频繁发生,杀伤性武器性能不断提高,日益凸显人体安全防护的重要性。虽然目前轻质、高强度的纤维材料,如Kevlar纤维和聚乙烯纤维等已被开发和运用于防护材料,但这些材料的力学性能仍然有限且不可控,而且只能被动的承受外界的刺激而无法做出相关的响应,无法满足于未来智能可穿戴防护系统的需求。因此,开发防护性能更加优越,舒适度更高的新型智能人体防护材料以取代传统的硬质、厚重的材料显得越来越迫在眉睫。剪切增稠材料是应变率相关的新型智能材料,主要包括剪切增稠液和剪切变硬胶体两大类材料。剪切增稠材料的最大特点在于当外界应力的应变率超过临界剪切速率时,材料粘度或者模量可以迅速增大,呈现出由柔性态急速转变为坚硬固态的特性。而由于剪切变硬胶体材料具有无需密封,性能稳定和易于制备等特点而受到越来越多的关注。本文基于剪切变硬胶体材料,以设计新型多功能防护材料为目的,成功制备了几种新型的智能防护材料及器件,既有效提高了高分子材料的力学性能,又使得其具备多方面响应性能,实现了材料性能的智能化和可控化。具体的研究内容和成果安排如下:1、将磁性粒子均匀混合到剪切变硬胶高分子聚合物中,成功地制备了一种对外界磁场和剪切应力具有双重刺激-响应性能的新型多功能复合材料。研究结果表明该多功能材料具有优异的剪切变硬效应和磁流变性能,材料强度可以通过外界磁场和剪切应力而加以定向控制。除了含有磁控性能以外,这种材料也可以随着外界剪切应力的刺激而自动改变其流变性能,从而表现出了优异的剪切变硬(shear stiffening:S-ST)效应。这种智能材料的力学性能也可以通过改变颗粒物的种类和含量而加以调控。更重要的是,该材料的剪切变硬效应也可以通过调节磁场和剪切力的频率大小而加以精确调控。最后,多功能材料的刺激-响应性能产生的主要是由瞬间的B-O交联键和羰基铁粒子链所引起的。2、通过将钕铁硼引入到剪切变硬胶体中,成功制备出一种具有优良力学性能和预磁化增强效应的多功能剪切变硬胶体材料。研究表明除了该材料的模量随着外界剪切应力的频率增加而迅速增大以外,还具备较理想的预磁化效应,即在使用之前给予材料较小的磁场预加载,即可使其在撤除磁场的情况下模量也能表现出较大提升效应,而后续较高的力学强度不依赖于外界刺激的加载。基于其较好的剪切变硬效应,当外界剪切应力的刺激频率从0.1Hz上升到100Hz时,复合材料的储能模量可以从102增大到106Pa。同时,样品的硬度也可以通过改变剪切频率和磁场大小而加以定向控制。更重要的是,该多功能聚合物材料具有较高剩磁特性,样品在经过1200mT磁场的短暂预结构化处理之后,其储能模量能从1.64MPa上升到2.34MPa,表现出了优良的预磁化增强效应,且该增强的力学性能稳定可靠,这说明其增强的性能不依赖于外界刺激的持续加载,可以节约大量能量。另外,所形成的粒子链以及高剩余磁场导致的粒子之间相互作用是该复合材料奇特性能的主要原因。最后,材料优良的可塑性/粘附愈合性保证了其具有较可靠的力学性能和更长的使用寿命。3、通过一种简单的"浸渍与干燥"法将剪切变硬胶体引入到聚氨酯海绵中,成功制备了一种新型聚氨酯基防护复合材料。该种衬垫显示出了优良剪切变硬效应,抗蠕变性能和耐冲击性能。另外其理想的粘附性和疏水性赋予了材料被广泛使用的可能。由于聚氨酯骨架的支撑作用,复合材料表现出了理想的抗蠕变性能,且其硬度是可控的,具有理想的阻尼特性。该复合材料也表现出了较优良的抗冲击性能,可以使外界冲击力降低1个数量级,从而起到保护人体的目的。另外,测试结果表明即使在受到严重破坏后复合材料的结构和力学性能都没有显著的衰减,说明材料具有很好的稳定性。最后,该材料良好的粘附性和疏水性保证了其可靠的力学性能和更长的使用寿命。4、通过运用一种简便方法将多壁碳纳米管分散到剪切变硬聚合物基体中,从而制备了一种新型的具有应变率相关导电性和自愈性能的剪切变硬纳米复合材料。由于碳纳米管的引入,该种材料具有理想的导电性和力学强度,显示出了较好的力传感性能和抗冲击效应。当受到外界剪切刺激时,该多功能复合材料的模量能增加4个数量级,显示出优良的剪切变硬效应。另外,经研究发现,该材料在受到不同刺激时具有不同的正负压阻效应,显示其具有优良的力传感效应。其应变率相关的压阻效应也被进一步研究。良好的自愈性能确保了材料能够被反复破坏和恢复。因此,基于其剪切变硬、应变率相关的导电性等特点,该复合材料可以吸收大量冲击能量并感知外界冲击力。最后,该复合材料的机理也被提出,B-O化学键相互作用所导致的玻璃化转变温度和在外界刺激下材料微观结构的变化分别是导致其剪切变硬性能和应变率相关的导电性能的原因。5、通过将碳纳米管和剪切变硬胶附着于Kevlar纤维表面,成功制备了一种具有优良防护和力传感性能的可穿戴电子织物材料。随着剪切变硬胶体的引入,该新型电子织物材料显示出了更强的抗冲击性能,防护效应显著增大。另外,由于碳纳米管的均匀分散,该种织物表现出较理想的电学性能和传感效应。在准静态压缩和动态冲击条件下的针刺实验结果表明该复合材料能够吸收大量能量,其防护性能比纯纤维得到极大提高。复合材料的最大抗冲击力为1052 N,这比纯Kevlar高出了 190%。由于嵌入了多壁碳纳米管,从而使得其电导率降为10-2S/m,且材料对外力刺激极为敏感。特别地,该传感织物同样具有优良的力传感性能,可以被固定于人体的各个部位以监测分析人体移动和力的大小。由于具有柔顺性,对外界极高的敏感性和优良的人体防护性能,该复合纤维有望被运用于制备一种同时具有人体防护和监测人体移动等性能的多功能可穿戴织物器件。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB33

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