中国科大龚兴龙教授团队《Matter》：具有超低热导率和高效冲击力耗散的芳纶结构复合材料

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在工业生产和日常生活中，冲击破坏和热损伤对人员安全和设备运行带来了巨大麻烦，对此多功能防护材料的设计变得越来越重要。传统的设计策略大多是通过简单的多层层压、表面涂覆或物理共混将单一功能组件进行复合组装，这种复合结构由于功能层之间较差的粘合强度而容易出现界面失效，导致性能随时间下降。最近的仿生结构材料实现了卓越的保护效果，但往往表现出单一的防护功能，因此要实现力-热耦合防护仍面临着巨大挑战。 

近日，中国科学技术大学龚兴龙教授团队在《Matter》上发表了题为“A lightweight aramid-based structural composite with ultralow thermal conductivity and high-impact force dissipation”的论文。该工作制备了一种同时具有低导热和高冲击耗散的轻量化结构复合材料。该材料由剪切增稠胶填充芳纶纳米纤维气凝胶后通过正交层压获得，在制备过程中，大量的微孔隙被保留在填充网络中，并与剪切增稠胶形成“孔隙-胶”共存微结构。这些微孔隙有效地减少了材料内部的热传导和热对流，从而实现了超低热导率（0.09 W m^-1 k^-1）。同时，芳纶气凝胶骨架具有优异的热稳定性，能够在-120到300 ℃范围内实现卓越的隔热效果。另一方面，当遭受机械冲击时，填充的剪切增稠胶赋予了芳纶骨架显著的率增强效应，而正交层合布局诱导产生层间滑移和层内裂纹，这种增强机制和耗能形式能够衰减65%-79%的冲击力。通过高空坠物、玻璃冲击和热烧蚀演示实验，验证了该芳纶材料优异的缓冲吸能和隔热防护效果。此外，在引入少量的阻燃剂DOPO-HQ后，该材料在原有性能的基础上获得了非凡的阻燃特性，可抵御60秒的明火燃烧以及承受10分钟的超长耐火测试。

图1. 芳纶结构复合材料的制备过程及其力-热防护机理

首先通过单向冷冻铸造和冷冻干燥工艺制备出具有取向结构的芳纶纳米纤维气凝胶，随后将剪切增稠胶灌注到多孔气凝胶网络中，最后进行正交层压，同时保留大量的微孔隙（图1A）。由此形成的“孔隙-胶”结构和正交层合布局有效地耗散了外部输入的力-热冲击能量（图1B）。

图2. 芳纶结构复合材料的形貌表征

流变实验表明剪切增稠胶具有显著的应变率增强效应，其储能模量在0.1-100 Hz剪切频率的变化中提升了3个数量级（图2F），这有助于提高芳纶结构复合材料的抗冲击性能。通过扫描电子显微镜进一步观察了复合材料的微观形貌，验证了“孔隙-胶”共存结构和正交层合布局的存在。

图3. 应变率相关的压缩性能测试

该芳纶结构复合材料表现出显著的率相关压缩性能，低应变率和高应变率压缩测试都表明其具有显著的率增强效应。应力-应变曲线（图3B和G）显示出样品的压缩模量和压缩强度随应变率的增加而急剧提升，同时其耗散的机械能也随之提高，这表明该芳纶材料在受到高速冲击时，有望产生结构硬化并吸收大量冲击能。

图4. 落锤抗冲击测试

落锤冲击测试进一步验证了该芳纶材料的抗冲击性能，得益于剪切增稠胶的应变硬化效应和正交层合结构，在材料能够通过结构硬化、层间滑移、和层内裂纹失效的方式耗散65%-79%的冲击力（图4H），同时保证整体结构不受致命性的破坏。

图5. 隔热性能和热导率测试

此外，通过对比实验验证了微孔隙的存在有助于衰减芳纶材料内部的热传导和热对流，从而实现比传统隔热木材更优异的热防护效果，其热导率仅为杨木的一半（0.09 W m^-1 k^-1）。芳纶骨架优异的热稳定性进一步实现了材料的超宽热绝缘范围（-120到300 ℃）。

图6. 冲击防护和耐烧蚀演示

视频1 坠物缓冲应用演示

视频2 玻璃冲击防护效果对比

视频3 不同高度下的玻璃冲击防护

演示实验表明该芳纶结构复合材料可成功保护2米高的坠物不受破坏（图6A-D）；并在10-100厘米高度的锤头撞击下保护脆性玻璃，且具有比传统缓冲泡沫更显著的力衰减特性（图6E-K）。在热烧蚀演示中（图6L-N），该芳纶材料具有长达60分钟的热防护效果。

图7. 芳纶结构复合材料的耐燃烧性能

此外，通过添加少量阻燃剂DOPO-HQ，该芳纶结构复合材料可进一步获得卓越的阻燃性能，在60秒的持续燃烧后可迅速自熄灭（图7F），且能够长期地（10分钟）保护花朵不被烧蚀（图7K）。

综上所述，该工作通过简易的灌注和正交层压工艺开发了一种低导热和高吸能的芳纶结构复合材料，其性能优于大多数传统的工程保护材料，同时兼具了力-热耦合防护效果，并表现出超轻特性（仅0.46 g cm^-3）。因此有望作为下一代轻量化、多功能防护材料，应用于输运、军事、以及航天领域。

论文的第一作者为中国科技大学工程科学学院博士研究生吴建鹏，通讯作者为中国科技大学工程科学学院龚兴龙教授和宣守虎教授。该研究得到了国家自然科学基金、国家航空科学基金、以及中央高校基础科研基金的资助和支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.031 

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