本文關(guān)鍵詞： 剪切變硬 人體防護(hù) 智能材料 力傳感性能 Kevlar纖維　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：近年來,全球范圍內(nèi)局部戰(zhàn)爭(zhēng)、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(qiáng)度的纖維材料,如Kevlar纖維和聚乙烯纖維等已被開發(fā)和運(yùn)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(dòng)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。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(diǎn)在于當(dāng)外界應(yīng)力的應(yīng)變率超過臨界剪切速率時(shí),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?jiān)硬固態(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(diǎn)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(jì)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的力學(xué)性能,又使得其具備多方面響應(yīng)性能,實(shí)現(xiàn)了材料性能的智能化和可控化。具體的研究?jī)?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(duì)外界磁場(chǎng)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(qiáng)度可以通過外界磁場(chǎng)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(dòng)改變其流變性能,從而表現(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(chǎng)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(qiáng)效應(yīng)的多功能剪切變硬膠體材料。研究表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(chǎng)預(yù)加載,即可使其在撤除磁場(chǎng)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(qiáng)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(shí),復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量可以從102增大到106Pa。同時(shí),樣品的硬度也可以通過改變剪切頻率和磁場(chǎng)大小而加以定向控制。更重要的是,該多功能聚合物材料具有較高剩磁特性,樣品在經(jīng)過1200mT磁場(chǎng)的短暫預(yù)結(jié)構(gòu)化處理之后,其儲(chǔ)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(qiáng)效應(yīng),且該增強(qiáng)的力學(xué)性能穩(wěn)定可靠,這說明其增強(qiáng)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(chǎng)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(zhǎng)的使用壽命。3、通過一種簡(jiǎn)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(gè)數(shù)量級(jí),從而起到保護(hù)人體的目的。另外,測(cè)試結(jié)果表明即使在受到嚴(yán)重破壞后復(fù)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(zhǎng)的使用壽命。4、通過運(yùn)用一種簡(jiǎn)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(qiáng)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(shí),該多功能復(fù)合材料的模量能增加4個(gè)數(shù)量級(jí),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(shí)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(diǎn),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(jī)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(qiáng)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(dòng)態(tài)沖擊條件下的針刺實(shí)驗(yàn)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為1052 N,這比純Kevlar高出了 190%。由于嵌入了多壁碳納米管,從而使得其電導(dǎo)率降為10-2S/m,且材料對(duì)外力刺激極為敏感。特別地,該傳感織物同樣具有優(yōu)良的力傳感性能,可以被固定于人體的各個(gè)部位以監(jiān)測(cè)分析人體移動(dòng)和力的大小。由于具有柔順性,對(duì)外界極高的敏感性和優(yōu)良的人體防護(hù)性能,該復(fù)合纖維有望被運(yùn)用于制備一種同時(shí)具有人體防護(hù)和監(jiān)測(cè)人體移動(dòng)等性能的多功能可穿戴織物器件。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB33

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