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可變形外骨骼，這種在科幻電影中常見的裝備，如今正逐漸走進現(xiàn)實。它們在正常情況下柔軟舒適，易于穿戴，而在關(guān)鍵時刻能夠迅速變得堅硬，提供必要的保護。這種技術(shù)對于個人防護和機器人技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，也是許多科技愛好者夢寐以求的創(chuàng)新。

文章介紹的是一種創(chuàng)新材料——碳纖維織物增強熱硬化水凝膠（CFRTH）復(fù)合材料，它被認為是開發(fā)可變形外骨骼的理想選擇。這種材料通過將碳纖維織物與熱固化水凝膠相結(jié)合，不僅大幅提升了水凝膠的機械性能，還賦予了材料快速、可重復(fù)的剛度調(diào)節(jié)能力。在常溫下，CFRTH復(fù)合材料柔軟且耐用，展現(xiàn)出極佳的柔韌性和形狀適應(yīng)性，使其能夠輕松貼合人體的各種動作。而當溫度上升時，這種材料能夠迅速變得堅硬和剛性，提供強大的保護。通過電熱刺激，CFRTH復(fù)合材料的彎曲模量可以從2.3 MPa激增至539.7 MPa，增幅達到驚人的232倍，這使得材料在能量吸收和耗散方面表現(xiàn)出色。

在實際測試中，經(jīng)過電熱刺激的CFRTH復(fù)合材料在落球試驗中的峰值力衰減率顯著提高，達到了200%的改善。同時，在穿透和刀刺測試中，這種材料也展現(xiàn)出了卓越的抗穿刺性能。此外，CFRTH復(fù)合材料在保護易碎物品免受沖擊方面也表現(xiàn)出了極高的效率。這項研究不僅為開發(fā)可變形外骨骼提供了一種新穎而通用的方法，而且這種外骨骼在正常狀態(tài)下易于穿戴，通過電熱刺激即可按需增強剛度和沖擊保護性能，為未來的個人防護和機器人技術(shù)開辟了新的可能性。

一、 引言

變形外骨骼，即能夠在正常情況下柔軟舒適，在需要時迅速變硬增強防護能力的外骨骼，一直是科幻迷的夢想，同時也具有重要的實際應(yīng)用價值，例如個人防護和機器人領(lǐng)域。理想的變形外骨骼材料應(yīng)具備以下三個特點：可穿戴性、可變形性和可調(diào)節(jié)性。目前，具有主動剛度可調(diào)節(jié)性的材料或結(jié)構(gòu)，如形狀記憶合金、低熔點合金、磁流變或電流變流體、堵塞結(jié)構(gòu)等，都難以滿足變形外骨骼的需求。它們要么在常溫下過于堅硬，要么剛度變化范圍有限，要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實現(xiàn)理想的變形外骨骼。

近日，國際知名期刊《Composites Science and Technology》發(fā)表了一篇由重慶大學(xué)、西南大學(xué)研究團隊完成的關(guān)于變形外骨骼材料的研究成果。該研究提出了一種基于碳纖維增強熱固化水凝膠（CFRTH）復(fù)合材料的理想材料，用于開發(fā)可變形外骨骼，該材料在常溫下柔軟且可穿戴，但在電熱刺激下可瞬間大幅提高剛度，從而提供優(yōu)異的沖擊和穿刺防護性能。論文標題為“Stiffness-switchable hydrogel composite for transformable exo-suit”。

二、 研究內(nèi)容及方法

制備碳布增強熱硬化水凝膠復(fù)合材料所需的原材料，包括丙烯酸 (AAc)、羧甲基纖維素 (CMC)、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺 (MBAA)、過硫酸銨 (APS)、醋酸鈣 (CaAc)、鹽酸 (HCl) 和高導(dǎo)電碳纖維。

首先，將 CMC 粉末溶解在去離子水中，然后加入 AAc 單體、交聯(lián)劑 MBAA 和引發(fā)劑 APS，攪拌均勻。之后，將碳纖維用鹽酸溶液處理 24 小時，用水沖洗至中性。通過自由基聚合制備熱硬化水凝膠，并將經(jīng)酸處理的碳纖維引入其中，最終得到 CFRTH 復(fù)合材料。

圖 1. a) CFRTH 復(fù)合材料的制造工藝和應(yīng)用示意圖。b) CFRTH 復(fù)合材料的表面和 c) 橫截面 SEM 圖像（碳纖維織物和水凝膠基質(zhì)之間的界面）。光學(xué)圖像顯示：d) CFRTH 復(fù)合材料的剛度可切換性和 e) 電熱硬化成形性。

作者研究了 CFRTH 復(fù)合材料的制備過程、微觀結(jié)構(gòu)、機械性能、熱性能、電熱性能以及在沖擊保護方面的應(yīng)用。通過實驗觀察，CFRTH復(fù)合材料在環(huán)境溫度下表現(xiàn)出柔軟和可穿戴的特性，而在溫度升高時能夠迅速變硬，展現(xiàn)出顯著的熱硬化行為。

圖2. CFRTH復(fù)合材料的電加熱行為：a)施加電壓為1、3、5和7 V時的紅外圖像，b)不同施加電壓下的溫度-時間曲線，c)施加7 V電壓下的循環(huán)溫度變化，d)不同施加電壓下CFRTH復(fù)合材料的三點彎曲力-位移曲線。

通過拉伸測試、撕裂測試和三點彎曲測試評估了 CFRTH 復(fù)合材料的機械性能，結(jié)果表明其強度和韌性得到了顯著提升。通過差示掃描量熱法和動態(tài)力學(xué)分析研究了 CFRTH 復(fù)合材料的熱性能，揭示了其熱硬化機理。通過紅外圖像、溫度曲線和三點彎曲測試研究評估了 CFRTH 復(fù)合材料的電熱性能，證實了其可以通過電熱刺激實現(xiàn)從軟態(tài)到硬態(tài)的轉(zhuǎn)變。

圖 3. 施加電壓后 CFRTH 復(fù)合材料在環(huán)境溫度和高溫（70 ?C）下的彎曲性能：a) 三點彎曲試驗的力-位移曲線，b) 彎曲模量和彎曲強度。c) 未經(jīng) Ca2+ 處理的水凝膠和 TH 水凝膠的 DSC 曲線和 d) DMA 曲線。e)CFRTH 復(fù)合材料的電熱硬化機制示意圖。

此外，研究還通過跌落球測試、穿刺測試和刀刺測試，證明了CFRTH復(fù)合材料在電熱刺激下在沖擊吸收和抗穿刺方面的卓越性能，與未轉(zhuǎn)變狀態(tài)相比，轉(zhuǎn)變后的CFRTH在峰值力衰減率上提高了200%，并且在抗穿刺測試中表現(xiàn)出色。

圖4. CFRTH復(fù)合材料作為可變形外骨骼的應(yīng)用演示：a) 抗刀刺試驗示意圖（刀落高度：50 cm）及試驗后受損的CFRTH和見證紙，b) 玻璃板保護試驗示意圖（從20 cm高度落下一個111 g的球），試驗后的裝置和玻璃板，c) 雞蛋保護試驗（從20 cm高度落下一個111 g的球）及雞蛋狀態(tài)。

通過有限元分析（FEA）該文章進一步探討了CFRTH復(fù)合材料的沖擊保護機制，并展示了其在實際應(yīng)用中，如保護易碎產(chǎn)品免受鋼球沖擊的高效率。這些結(jié)果證實了CFRTH復(fù)合材料作為可變形外骨骼的理想材料，具有在正常條件下的可穿戴性，以及在需求時通過電熱刺激增強的剛度和沖擊保護性能。

圖 5. a) 沖擊試驗的有限元分析 (FEA) 模型。b) PDMS 基材中的 Von-Mises 應(yīng)力 (MPa) 分布：(I) 無 CFRTH 保護，(II) 有軟 CFRTH 保護（原始狀態(tài)），(III) 在電熱刺激下有硬 CFRTH 保護。

三、小結(jié)

該研究成功制備了一種基于 CFRTH 復(fù)合材料的變形外骨骼材料，該材料在常溫下柔軟舒適，在電熱刺激下可迅速變硬，并具有優(yōu)異的能量吸收/耗散性能和沖擊防護能力。該研究成果為變形外骨骼的開發(fā)提供了新的思路，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

原始文獻：

Zhu, Y., Xu, M.-T., Tang, Z.-H., Chen, F., Wang, D.-Y., Li, Y.-Q., & Fu, S.-Y. (2024). Stiffness-switchable hydrogel composite for transformable exo-suit. Composites Science and Technology, 256, 110763.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110763