剪切變硬(ying)彈性(xing)體(ti)（Shear-Stiffening Elastomer, SSE）因(yin)其(qi)獨特應變率強化效應和(he)優異的(de)可調控力學(xue)性(xing)能，近年來在(zai)柔性(xing)防護材(cai)料(liao)領(ling)域受到了廣泛的(de)關注。然而(er)，受制于傳統(tong)(tong)制備工(gong)藝，現有SSE材(cai)料(liao)大多局限(xian)于各向(xiang)同性(xing)體(ti)系(xi)，導(dao)致其(qi)在(zai)準靜態載荷(he)下斷裂韌性(xing)不足和(he)在(zai)動(dong)態載荷(he)下失效閾值較(jiao)低，嚴重(zhong)制約了其(qi)在(zai)實際工(gong)程(cheng)中應用(yong)潛力。因(yin)此，如何(he)突破各向(xiang)同性(xing)系(xi)統(tong)(tong)的(de)局限(xian)，實現SSE復合材(cai)料(liao)在(zai)宏觀或多尺度層面的(de)各向(xiang)異性(xing)結構設計，已成為推動(dong)該類(lei)材(cai)料(liao)實現高性(xing)能化與智能化應用(yong)的(de)重(zhong)要科(ke)學(xue)問題。
圖1.基于混合式3D打印策略的仿生晶格結構軟硬(ying)相TPR-SSE復合材(cai)料(liao)及其(qi)智能化應用
近(jin)日(ri)，188bet足球龔興龍教授團隊突破(po)傳統制備工藝限制，受(shou)自然(ran)界軟硬(ying)相晶格(ge)結構的(de)啟發，創新性(xing)(xing)地提(ti)出(chu)混合式3D打印(yin)策略，成(cheng)功實現剪(jian)切變硬(ying)彈(dan)性(xing)(xing)體的(de)各向異(yi)性(xing)(xing)結構設計(ji)，研制出(chu)兼具高強度與優(you)異(yi)緩沖性(xing)(xing)能的(de)晶格(ge)結構軟硬(ying)相復合材料。相關成(cheng)果以“Hybrid Additive Manufacturing of Shear-Stiffening Elastomer Composites for Enhanced Mechanical Properties and Intelligent Wearable Applications”為題，發表在國際著名(ming)材料科(ke)學類期(qi)刊《Advanced Materials》上。
圖2.TPR-SSE復合材料的沖擊防(fang)護(hu)性能
本研究(jiu)提(ti)(ti)出了一種(zhong)創(chuang)新性的(de)(de)混合(he)(he)(he)式3D打(da)印策略，精準(zhun)實(shi)現(xian)了軟(ruan)(ruan)(ruan)硬(ying)相(xiang)(xiang)(xiang)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)可定(ding)制(zhi)(zhi)化設計(ji)。該(gai)策略巧妙融(rong)合(he)(he)(he)“熔融(rong)沉積成型(xing)”（Fused Deposition Modeling, FDM）和“直墨書寫成型(xing)”（Direct Ink Writing, DIW）兩種(zhong)3D打(da)印技術，為(wei)軟(ruan)(ruan)(ruan)相(xiang)(xiang)(xiang)粘彈(dan)性剪切變(bian)(bian)硬(ying)彈(dan)性體（SSE）引(yin)入(ru)具(ju)(ju)有優異準(zhun)靜(jing)態(tai)承(cheng)(cheng)載能(neng)(neng)力與(yu)熱穩(wen)定(ding)性的(de)(de)硬(ying)相(xiang)(xiang)(xiang)熱塑(su)性橡(xiang)膠(jiao)（TPR）晶格(ge)骨架(jia)，成功研制(zhi)(zhi)出一種(zhong)具(ju)(ju)有仿(fang)(fang)生軟(ruan)(ruan)(ruan)硬(ying)相(xiang)(xiang)(xiang)晶格(ge)結(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)TPR-SSE復(fu)(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)。研究(jiu)團隊(dui)通(tong)過系(xi)統的(de)(de)準(zhun)靜(jing)態(tai)與(yu)動態(tai)力學(xue)(xue)實(shi)驗，并輔以光學(xue)(xue)原(yuan)位(wei)測量與(yu)有限元數值模(mo)擬分(fen)析，深(shen)入(ru)揭(jie)示(shi)了TPR-SSE復(fu)(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)中仿(fang)(fang)生軟(ruan)(ruan)(ruan)硬(ying)相(xiang)(xiang)(xiang)晶格(ge)結(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)力學(xue)(xue)增強機制(zhi)(zhi)。研究(jiu)表明(ming)，硬(ying)相(xiang)(xiang)(xiang)晶格(ge)TPR骨架(jia)為(wei)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)提(ti)(ti)供了堅(jian)固的(de)(de)準(zhun)靜(jing)態(tai)結(jie)構(gou)(gou)支撐(cheng)并顯(xian)著(zhu)抑(yi)制(zhi)(zhi)整體失效，而(er)粘彈(dan)性軟(ruan)(ruan)(ruan)相(xiang)(xiang)(xiang)SSE憑借獨特(te)的(de)(de)應變(bian)(bian)率(lv)強化效應能(neng)(neng)夠為(wei)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)耗散沖擊動能(neng)(neng)。該(gai)軟(ruan)(ruan)(ruan)硬(ying)相(xiang)(xiang)(xiang)協同的(de)(de)晶格(ge)結(jie)構(gou)(gou)設計(ji)，不僅顯(xian)著(zhu)提(ti)(ti)升了復(fu)(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)在準(zhun)靜(jing)態(tai)載荷下的(de)(de)承(cheng)(cheng)載能(neng)(neng)力，同時大(da)幅提(ti)(ti)高了在動態(tai)沖擊載荷下的(de)(de)失效閾值。進(jin)一步地(di)，研究(jiu)發現(xian)具(ju)(ju)有較低(di)正泊松比的(de)(de)蜂窩(wo)晶格(ge)結(jie)構(gou)(gou)展(zhan)現(xian)出優異的(de)(de)力學(xue)(xue)性能(neng)(neng)，能(neng)(neng)夠有效調(diao)控(kong)軟(ruan)(ruan)(ruan)相(xiang)(xiang)(xiang)SSE的(de)(de)局部應力集中，降低(di)界面剝離(li)與(yu)橫向失穩(wen)風險，從而(er)實(shi)現(xian)最優化的(de)(de)力學(xue)(xue)增強效果。
基(ji)于蜂窩晶(jing)格(ge)結構TPR-SSE復(fu)合(he)(he)材料(liao)(liao)優(you)異的(de)力學性能(neng)(neng)(neng)，研究團隊充分發揮該混合(he)(he)式3D打印技術在結構可(ke)(ke)定制化方面的(de)優(you)勢，進一步將(jiang)復(fu)合(he)(he)材料(liao)(liao)與(yu)深(shen)度學習算法(fa)驅動的(de)無線傳感模塊(kuai)集成，成功(gong)開發出兼具實時步態傳感、識(shi)別與(yu)個(ge)性化預警(jing)功(gong)能(neng)(neng)(neng)的(de)新型智能(neng)(neng)(neng)運(yun)動鞋。該智能(neng)(neng)(neng)可(ke)(ke)穿(chuan)戴設(she)備(bei)在復(fu)雜(za)載荷下展現出優(you)異且穩定的(de)力學響(xiang)應(ying)與(yu)動態傳感性能(neng)(neng)(neng)，充分驗(yan)證了(le)TPR-SSE復(fu)合(he)(he)材料(liao)(liao)在運(yun)動防護(hu)、智能(neng)(neng)(neng)健康監測等前沿應(ying)用(yong)領(ling)域中的(de)廣闊前景。
圖3.深度(du)學習算法驅動(dong)的智能化應用
綜上，研(yan)(yan)究團隊提出了一(yi)種基于(yu)混合(he)式3D技(ji)術(shu)的(de)剪(jian)(jian)切變硬(ying)(ying)彈(dan)性體復(fu)(fu)合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)研(yan)(yan)制工藝(yi)，通過(guo)仿生軟硬(ying)(ying)相晶格結構設計(ji)(ji)顯著提升了材(cai)(cai)(cai)料(liao)在準靜態(tai)載荷與(yu)動態(tai)沖(chong)擊載荷下的(de)綜合(he)力學性能。憑借該材(cai)(cai)(cai)料(liao)體系優異的(de)結構可(ke)定制性，研(yan)(yan)究團隊面向智(zhi)能穿戴領(ling)域成功開發了實用(yong)化樣機，突破(po)了傳(chuan)統剪(jian)(jian)切變硬(ying)(ying)材(cai)(cai)(cai)料(liao)在復(fu)(fu)雜工況應(ying)用(yong)中的(de)性能瓶頸(jing)，為(wei)高性能柔性防護(hu)材(cai)(cai)(cai)料(liao)與(yu)新一(yi)代智(zhi)能可(ke)穿戴設備(bei)的(de)融合(he)設計(ji)(ji)提供了新的(de)研(yan)(yan)究思路(lu)與(yu)技(ji)術(shu)支撐。
188bet足球工程科學學院碩(shuo)士研究生楊俊(jun)杰為(wei)論文第(di)一作者(zhe)，龔興龍教授和趙春宇(yu)特任副研究員為(wei)通訊作者(zhe)。合作者(zhe)包括188bet足球碩(shuo)士研究生賴樹羽(yu)與(yu)王東鵬。該(gai)工作得到國家(jia)自然科學基金(jin)、博士后創(chuang)新人(ren)才支持計劃(hua)、中央高校基本科研業務(wu)費專項資金(jin)及安徽(hui)省(sheng)自然科學基金(jin)的資助與(yu)支持。
原文鏈接：Yang JJ,Zhao CY*,Lai SY,Wang DP,Gong XL*,Hybrid Additive Manufacturing of Shear-Stiffening Elastomer Composites for Enhanced Mechanical Properties and Intelligent Wearable Applications. Advanced Materials,202419096,2025.
論文鏈接：//doi.org/10.1002/adma.202419096
（工(gong)程科學(xue)學(xue)院、科研部）
