防护装备是人体生命安全和精密仪器稳定工作的重要保障，随着社会发展，传统的材料体系已经无法有效应对日益复杂的极端环境，发展新型智能防护材料成为提高人们生存能力和仪器工作寿命的有效手段。在众多防护材料中，海绵材料因其轻质量、高回弹的特性被广泛应用于冲击防护领域，然而，在极端环境中发生的机械冲击往往伴随着热损伤，传统海绵材料难以抵御耦合伤害且无法向外界即时传输信息，严重威胁了人员与仪器安全。因此，如何基于复杂环境对材料进行定向优化，实现极端环境中的全方位防护是一项重要课题。
鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授课题组在《Composites Part B-Engineering》期刊上发表了题为“An integrative warning-protection shear thickened composite sponge towards sensing performance and impact resistance with excellent flame retardant”的论文。该论文将二氧化硅颗粒及阻燃添加剂分散在亲水性离子液体（[EOHMIM]BF4）中制备出阻燃型剪切增稠液（P-STF）。采用超声辅助浸渍的方法，将STF复合到海绵材料上，研制出具有阻燃抗冲击传感性能的预警-防护一体化剪切增稠复合海绵（P-STF/Sponge）。
研究人员采用球磨分散的方式将二氧化硅颗粒分散到高热稳定性的离子液体中配制剪切增稠液，以超声辅助浸渍的方法制备了机械性能良好的P-STF/Sponge复合材料（图1）。二氧化硅表面丰富的羟基官能团与离子液体之间可以形成氢键，在外部剪切作用下，表现出显著的剪切增稠现象（图2），将STF引入海绵材料后，海绵材料压缩峰值力增大，且表现出明显的率相关性。
图1. P-STF/Sponge复合材料的制备工艺示意图及样品表征图。
图2. P-STF/Sponge复合材料的流变性能及机械性能。
由于STF在液固转变的过程中可以吸收大量的能量，因此有望提高复合材料的防护性能。对材料进行了不同高度的落锤冲击实验，结果表明，引入P-STF后，材料在落锤冲击下检测到的峰值力更低，且随着P-STF含量的增加，复合材料的冲击力衰减更为明显。通过有限元模拟，从微观力学角度描述了复合材料的抗冲击性能，结果表明，多种损伤模式的协同作用增强了复合材料的抗冲击性能（图3）。
图3.P-STF/Sponge复合材料的防护性能。
基于离子液体的P-STF具有导电特性，此外，海绵材料独特的轻质柔韧性使其具备作为柔性可穿戴设备的潜力，因此复合形成的P-STF材料可被应用于传感领域。研究人员记录了复合材料在不同应变下的传感信号，电阻随应变呈规律性变化，且在同应变下表现出良好的循环回复性；对复合材料进行了外界激励下的人体监测实验，表明其有望应用于智能穿戴领域；最后，将复合材料组装成阵列模式，形成的传感器阵列能够准确感知外界刺激（图4）。
图4.P-STF/Sponge复合材料的传感性能。
阻燃性能是复合材料在极端环境中实现全方位防护必不可少的功能。研究人员利用热稳定特性良好的离子液体作为分散介质，同时引入阻燃添加剂，赋予了复合材料可靠的阻燃性能。经过阻燃P-STF的修饰，极度易燃的海绵材料具备了离火自熄的阻燃能力，且拥有高达33%的极限氧指数，表现出了良好的火灾安全性（图5）。
图5. P-STF/Sponge复合材料的阻燃性能。
在危险发生之前及早预警，是筑起预防或减轻伤害的第一道防线。P-STF复合材料良好的抗冲击性能、阻燃性能和灵敏的传感能力，使其同时具有感应冲击和火灾报警性能。通过无线冲击与火灾报警应用演示，说明了复合材料具有集预警与防护一体化的功能，有望应用于消防领域（图6）。
图6.P-STF/Sponge复合材料的预警性能。
综上所述，该工作研制了一种具有阻燃抗冲击传感性能的预警-防护一体化剪切增稠复合海绵，该复合材料不仅保证了极端环境下对机械损伤和热损伤的广泛防御，也能够在危险发生时及时传输信息，在轻量化智能防护装备领域具有广阔的应用前景。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士研究生潘雨成，通讯作者为中国科学技术大学工程科学学院龚兴龙教授和博士后桑敏。该研究得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金的资助和支持。
原文链接：
Yucheng Pan, Min Sang, Junshuo Zhang, Zimu Li, Shuai Liu, Zhentao Zhang, Qian Ma and Xinglong Gong. An integrative warning-protection shear thickened composite sponge towards sensing performance and impact resistance with excellent flame retardant. Compos. Pt. B-Eng. 279 (2024): 111466.
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111466
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