南科大杨灿辉团队 ACS AMI：抗冲击的强韧水凝胶复合材料

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水凝胶是一种极为亲水的三维网络凝胶。许多生物体的组织都可视为生物水凝胶。生物水凝胶（如软骨，肌腱等）在准静态和冲击载荷下均具有优异的力学性能，长期以来一直是设计合成水凝胶的灵感来源。合成水凝胶的研究主要集中在准静态载荷下的力学性能，对其动态力学响应的关注匮乏。而冲击载荷在生活中普遍存在，如步行、跳跃和跑步等都会对组织造成冲击。因此设计在准静态和冲击载荷下均强韧的水凝胶，并探测其冲击响应具有很大的重要性。

近期，南方科技大学软体力学实验室杨灿辉团队报道了一种抗冲击的强韧水凝胶复合材料，并使用低速冲击评估其冲击性能。水凝胶复合材料的设计灵感来自关节软骨，覆盖在骨骼上以承受冲击载荷（图 1a）。在结构上，关节软骨主要由蛋白多糖的聚合物基体，与软骨细胞和由胶原蛋白编织的纤维网络相互渗透组成。类似地，水凝胶复合材料以韧性的Ca-algiante/PAAm双网络水凝胶作为基体、刚性的编织玻璃纤维作为增强相，同时两者之间界面以共价键形式结合形成强界面，从而能够抵抗冲击载荷（图 1b和图2a）。从材料横截面的扫描电镜图中可以看出相邻纤维之间和纤维束之间的间隙中填充大量水凝胶（图2b）。

图1 仿生设计和合成抗冲击的强韧水凝胶复合材料

图2 水凝胶复合材料表征

研究人员对材料的准静态力学性能进行表征，表明水凝胶复合材料的弹性模量达到35 MPa，强度达到2.4 MPa，断裂韧性达到206.7 kJ/m² （图3）。为了验证强界面在材料中的重要性，研究人员通过对未处理过样品（弱界面）和处理过样品（强界面）进行拔丝实验（图3）。研究发现未处理样品的峰值力和相应的位移小于处理过样品的峰值力和相应的位移。例如，在 30 mm/min 的加载速度下，未处理样品的峰值力和相应的位移分别为 ~6.8 N 和 ~4 mm，而处理过的样品的峰值力和相应的位移分别为 ~14.6 N 和 ~6 mm（图4a 和图4b）。研究人员将峰值点所对应力-位移曲线包围的面积作为最大能量吸收，发现未处理的样品为~14 mJ，处理过的样品为~48 mJ （图4c）。说明处理过的样品中强界面使其在变形过程中可以有效的载荷传递，进而吸收更高的能量。

图3 准静态力学性能表征

图4 拔丝实验

研究人员通过落球冲击试验表征水凝胶复合材料在不同速度冲击和循环冲击载荷下的力学行为。在相同条件下，相对于Ca-algiante/PAAm水凝胶，水凝胶复合材料表现出更小的最大位移和残余位移。在 5.5 m/s 的冲击速度下，Ca-algiante/PAAm水凝胶的最大位移和残余位移分别为 69 mm 和 11 mm，而水凝胶复合材料的最大和残余位移分别为 11 mm（减少 84%）和 4 mm（图5）。

图5 不同速度冲击下力学性能表征

研究人员通过3D-DIC 技术表征水凝胶复合材料冲击过程中的应变场演变，发现当水凝胶复合材料刚受到冲击时，其应变分布迅速从冲击点向四周扩散，并在最大变形量时覆盖整个样品（图6）。由于玻璃纤维和水凝胶基体之间的强界面使材料能有效的载荷传递，水凝胶复合材料在冲击过程中可以通过整体变形来更好地吸收能量。同时在循环冲击载荷作用下，随着冲击次数增加，其最大变形量几乎保持恒定（图7a）。同时，水凝胶复合材料在反复冲击下的吸能比也几乎不变，且与大变形的Ca-alginate/PAAm水凝胶的吸能比相当（图7b）。

图6 3D-DIC 图像展示水凝胶复合材料在 5.5 m/s冲击速度下 Von-Mises 应变场的演变

图7 循环冲击载荷下力学性能表征

为了展示潜在的应用，研究人员使用水凝胶复合材料作为保护易碎玻璃免受冲击的保护措施。 如图8所示，一块面积为 80 mm × 80 mm、厚度为 3 mm 的玻璃被上下两层 2 mm 厚的保护材料防护，然后122.8 g 冲头以6 m/s速度冲击。结果表明具有水凝胶复合材料保护的玻璃保持完整性，而由其构成材料防护的玻璃在冲击后破碎成碎片。

图8 应用展示

综上所述，该工作表明抗冲击的强韧水凝胶复合材料的三个关键因素：韧性的水凝胶基体、刚性的增强相和两者之间的强界面。同时对其进行了多种载荷下力学性能测试，以表明合成的水凝胶复合材料在准静态和冲击载荷下表现出优异的力学性能。鉴于冲击载荷的普遍性，冲击载荷下水凝胶的研究将受到越来越多关注。

该工作以“Strong Interfaces Enable Efficient Load Transfer for Strong, Tough, and Impact-Resistant Hydrogel Composites”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。文章第一作者是南方科技大学力学与航空航天工程系博士后薛琪琦博士；合作作者包括南方科技大学力学与航空航天工程系博士研究生何云峰，博士后张笑宇博士和张新助理教授，南方科技大学材料科学与工程系蔡旻堃硕士研究生和郭传飞副教授；通讯作者为南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉助理教授。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c07133

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