還認(rèn)為水凝膠“吹彈可破”嗎？帶你領(lǐng)略“防彈”水凝膠的魅力

水凝膠基柔性材料已廣泛應(yīng)用于人工智能、可穿戴設(shè)備、軟物質(zhì)機(jī)器人、電子器件等領(lǐng)域，而如何保證其在沖擊作用下維持其結(jié)構(gòu)與性能的穩(wěn)定性是待解決的一大難題。貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)由文石晶體與有機(jī)基質(zhì)交錯(cuò)排列而成，呈現(xiàn)出規(guī)整有序的“磚墻”式結(jié)構(gòu)，具備極高的強(qiáng)度和韌性。

陳詠梅課題組采用紫外引發(fā)自由基聚合的方法設(shè)計(jì)了一種新穎的基于珍珠層仿生結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度抗穿刺氯化鋰/聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝膠（LiCl-PVA/PAA）。經(jīng)由紫外引發(fā)聚合的PVA/PAA水凝膠前驅(qū)體在濃鋰鹽的作用下形成仿珍珠層“磚墻”式結(jié)構(gòu)，其中PAA相當(dāng)于“磚”承受抗壓強(qiáng)度，PVA形成沿著相界分布的薄層網(wǎng)絡(luò)起能量耗散的作用（相當(dāng)于“砂漿”），使該基于珍珠層仿生結(jié)構(gòu)LiCl-PVA/PAA水凝膠獲得了極優(yōu)異的機(jī)械性能（圖1）。

圖1 基于珍珠層仿生結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度抗穿刺LiCl-PVA/PAA水凝膠 （a）凝膠珍珠層形成機(jī)理 （b） PAA與（1）PVA鏈之間及（2）PAA與Li +之間的原子分子動(dòng)力學(xué)模型 （c） LiCl-PVA/PAA水凝膠的制作步驟 （d） PVA/PAA水凝膠前驅(qū)體體積及透明度隨在鋰鹽溶液中浸泡時(shí)間的變化示意圖

該凝膠具有自修復(fù)功能，可以抵抗500 g的負(fù)載以及實(shí)現(xiàn)縫合操作。其拉伸強(qiáng)度達(dá)到11.3±2.1MPa，應(yīng)變超過1300％，韌性為48.0±3.1 MJ / m3，斷裂能為54.9kJ / m2，抗壓強(qiáng)度超過700 MPa （是目前最先進(jìn)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的10倍以上），此外，該凝膠薄膜可承受釘尖400 MPa的靜態(tài)穿刺，同時(shí)可承受最高時(shí)速為540公里/小時(shí)的飛行鋼球（動(dòng)能是尖銳飛行物的8倍）的沖擊，并將鋼球彈回后恢復(fù)原態(tài)，展示出了極優(yōu)異的抗穿刺抗擊打能力（圖2）。

圖2  LiCl-PVA/PAA水凝膠抗穿刺性能（a）凝膠珍珠被切成兩半后，并抵抗500g的負(fù)載照片 （b） 兩片凝膠珍珠層縫合照片 （c） PVA和PAA的總含量保持在30 wt%，水凝膠應(yīng)力應(yīng)變圖（d）1.5 mm厚的試樣在400 Mpa靜壓下的耐穿性 （e）凝膠對(duì)飛鋼球（直徑10mm，重量4.10 g，速度540 km/h）的阻力

通過設(shè)計(jì)貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的LiCl-PVA/PAA水凝膠同時(shí)具備高韌性和高強(qiáng)度，后續(xù)工作再利用水凝膠多樣化體系的電化學(xué)兼容性，使該凝膠材料成為可預(yù)見的抗穿刺電池、燃料電池以及電子產(chǎn)品的候選材料。本篇文章發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces上，陜西科技大學(xué)特聘教授陳詠梅，西安交通大學(xué)宋曉平教授和美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)譚力教授為共同通訊作者。

論文信息與鏈接

Zhao XQ, Wang MX, Chen YM*, Chen ZG, Suo T, Qian W, Hu J, Song XP*, Mei WN, Sabirianov R, Tan L*. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, 11: 19421-19428. DOI: 10.1021/acsami.9b02328

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b02328