中科大AM：不对称Janus剪切增稠织物，实现抗冲击与动态热管理双重突破

在极端环境下，温度失衡与机械攻击对人类健康与设备安全构成严重威胁，推动着先进防护装备的持续发展。从冷兵器时代的金属装甲到现代战场的防弹背心，人类对轻量化、多功能个人防护的追求从未停止。尽管近年来智能热管理和力学增强材料已取得一定进展，但在动态、恶劣环境中实现冲击与热耦合防护的协同应用仍是一项重大挑战。尤其在战场、消防、极地探险等复杂场景中，材料既需要抵御高速冲击和穿刺，又需应对剧烈的温度波动，防止局部过热或快速失温。

针对上述挑战，中国科学技术大学龚兴龙教授、桑敏特任副研究员团队开发了一种具有非对称Janus结构的剪切增韧织物（命名为SKMP）。该织物将剪切增韧、光热转换和相变储能三种物理机制集成于单一的Kevlar体系中，实现了力学防护与动态热管理的协同平衡。研究表明，该复合材料织物的撕裂强力高达621 N，极限穿透速度达125.79 m/s，且在极低MXene负载量（0.47 wt.%）下实现了12.4°C的光热温差，展现出优异的冲击防护与全天候热调控能力。相关论文以“Asymmetric Janus Shear Thickening Fabric with Heat Self-Circulating toward Impact Protection and Dynamic Thermal Management”为题，发表在Advanced Materials上。

织物设计与结构表征

研究团队采用浸渍‑喷涂‑刮涂的逐级制备工艺构建了SKMP复合织物。首先，将Kevlar织物分散于稀释的剪切增稠液（STF）中，通过超声辅助浸渍使STF均匀附着于Kevlar纤维表面。扫描电镜图像显示，与纯Kevlar光滑的表面不同，SK织物纤维表面出现明显的颗粒附着物，结构更为致密（图1b）。随后，通过喷涂法将MXene纳米片沉积于织物表面，在80°C加热板上快速干燥。SEM图像表明，MXene纳米片大面积包裹纤维，表面更加粗糙，纤维间隙进一步收窄（图1c、1d）。最后，将聚乙二醇（PEG）与Ecoflex混合后在织物另一侧进行刮涂固化，形成连续的封装界面（图1e）。所得SKMP织物呈现出由正面MXene层和背面PEG封装层构成的不对称Janus构型，同时可轻松弯折，展现出良好的柔韧性（图1f）。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析进一步证实了STF、MXene和相变功能层均能通过简便工艺稳定固定在Kevlar织物表面，且界面相互作用牢固（图1g、1h）。

图1 (a) SKMP制备过程示意图。SK、SKMP-MX侧(c)及其放大视图(d)、SKMP-EP侧(e)的SEM图像。(f) SKMP照片，展示非对称Janus特性与柔韧性。(g) NK、SK和SKMP的FT-IR光谱。(h) NK、SK和SKMP的XPS光谱。

纱线拔出与撕裂性能：纤维桥接与摩擦耗能的协同增强

剪切增稠效应是决定织物应用性能的关键前提。研究团队制备了质量分数为64%的STF（二氧化硅粒径约300 nm，分散介质为离子液体），该STF表现出明显的剪切增稠特性。纱线拔出测试（加载速度100 mm/min）表明，纯Kevlar的力‑位移曲线呈现线性静摩擦阶段和振荡动摩擦阶段。当STF附着量达到20 wt.%时，SK织物的峰值力较纯Kevlar显著提升约81.66%（图2a、2b）。这一优异性能归因于摩擦耗能机制：拔出过程中，SK复合材料间的强摩擦阻碍了织物变形和纱线抽出，导致大量能量耗散；同时STF促进了织物结构的致密化，使更多纱线参与应力耗散。

在MXene和相变层组装后，室温下纱线拔出峰值力进一步增强，源于纤维间隙的收缩（图2c）。高温条件下（通过氘灯光照实现光热效应，织物表面温度约139.5~147.9°C），纯Kevlar因纤维间氢键减弱而峰值力显著下降，而SKM和SKMP复合材料凭借纱线间摩擦主导的力学性能，有效缓解了高温攻击下的性能退化（图2d、2e）。红外热像显示，SKMP表面温度最低，证实了相变层的有效热调控能力（图2f）。

裤形撕裂测试中，纯Kevlar因纤维间连接较松散，主要分离模式为纤维抽出，峰值撕裂力仅152.2 N。而SK织物因STF引入，撕裂力达597 N。经夹具区域优化处理后，SKMP的撕裂力进一步提升至621 N，撕裂能高达120.9 kJ/m²，是纯Kevlar的1.8倍（图2g、2h）。纯Kevlar撕裂过程连续平缓，纤维被连续抽出；而SK织物因STF使纤维间桥接效应更明显，需更大载荷才能破坏平衡，力‑位移曲线呈锯齿状波动，表现出非连续的撕裂过程和优异的损伤容限与韧性（图2i‑2k）。

图2 (a) NK和SK复合材料的纱线拔出测试。(b) 上述纱线拔出实验中不同样品的峰值力汇总。NKM、SKM和SKMP在(c)室温和(d)高温下的纱线拔出测试。(e) 峰值力的统计分析及(f)高温拔出过程中的红外照片。(g) 撕裂过程的力-位移曲线。(h) 各样品的撕裂能与撕裂峰值力。(i) NK（左上方）和SK（右下方）撕裂后的数码照片及(j)显微图。(k) 撕裂过程示意图。

抗冲击性能：多尺度能量耗散机制保障高速防护

静态穿刺测试中，纯Kevlar的最大穿刺力仅为86.68 N，而SK织物达154.07 N，SKMP进一步增至160.59 N（图3a、3b）。数字图像相关技术记录显示，纯Kevlar因纤维连接松散，整体应变最小，易穿透而不发生显著变形；SK和SKMP织物则展现出更宽的应变场和更明显的变形，表明更多纤维参与了应力耗散与传递。

动态落锤测试中，STF改性复合材料在所有测试高度下均表现出显著高于纯Kevlar的抗穿刺能力。当移除夹具处的相变层后，SKMP在各高度下均达到最高峰值力，且在30 cm高度下仍未发生穿透（图3c、3d）。高速弹道冲击测试进一步证实，纯Kevlar在约98 m/s的冲击速度下即被穿透，而SKMP的弹道极限速度高达125.79 m/s（图3e、3f）。SKMP的多尺度能量耗散机制可概括为：冲击初期，STF在剪切增稠效应下发生状态转变，瞬时固化限制Kevlar纤维间滑移；持续加载过程中，更多受限纤维协同承载，摩擦耗能为主导；最后纤维发生滑移或断裂，进一步耗散能量（图3g）。

图3 (a) NK、SK和SKMP的静态穿刺曲线。(b) 相应穿刺峰值力。(c) 不同落锤高度下的动态穿刺峰值力。(d) 各样品在20 cm落锤高度下的能量吸收。(e) 弹道冲击测试中SKMP的入射速度与残余速度关系。(f) NK、SK和SKMP的弹道极限速度汇总。(g) SKMP的多尺度能量耗散机制示意图。

光热效应：低负载下的高效太阳能吸收与转换

MXene在0.25~2.5 μm波长范围内的平均吸光率达73.59%，而喷涂于粗糙纤维结构后的复合织物平均吸光率高达93.52%，归因于纤维结构缓解了MXene薄膜的高反射特性。在模拟太阳光（1 sun，约100 mW/cm²）辐照下，SKM3样品（MXene含量仅占复合总质量的0.47 wt.%）的平均光热温度达71.5°C，与SK织物相比温差达12.4°C（图4b‑4e）。100次光热循环实验中，平衡温度和响应时间几乎保持稳定，红外热像显示织物表面温度分布均匀且一致，表明未发生不可逆的微观结构退化（图4f）。这一高效光热转换归因于MXene纳米片中丰富的自由电子在光场下发生集体振荡，产生局域表面等离子体共振效应，同时金属导电性使载流子快速迁移、能量损失较低（图4g）。模型房屋演示进一步验证了SKM织物的强发热能力（图4h）。

图4 (a) 光热测试装置示意图。(b) 不同MXene含量样品在1个太阳辐照下的温度-时间曲线。(c) 相应平均稳态温度。(d) SK和SKM3的红外热像。(e) SKM3中各组分的质量分数。(f) SKM3的100次光热循环曲线。(g) MXene光热机理示意图。(h) 模型房屋光热演示的数码照片及红外图像。

热疗行为：相变储能实现动态热缓冲

为实现动态热管理，研究团队将PEG与Ecoflex共混制备相变层。动态力学分析表明，纯Ecoflex在20~90°C范围内储能模量和损耗模量变化较小，而EP1‑2（PEG:Ecoflex质量比1:2）在约50°C处出现明显的模量变化，对应于PEG的相变过程（图5a）。差示扫描量热分析显示，EP1‑2的相变焓为57.2 J/g，相变温度约50°C（图5b）。在1个太阳辐照下，SKMP背面温度较SKM显著降低，且出现明显的温度平台期，表明热量被成功储存（图5c、5d）。光热‑相变循环测试中，SKMP在光照下温度上升、关闭光源后缓慢降温，呈现出周期性峰谷，证实了相变储热与放热的可逆过程（图5e、5f）。有限元模拟直观显示，含相变材料的区域出现显著热延迟，而不含PCM的区域温度分布均匀（图5h、5i）。二维热传导模型进一步阐明了光热层产热、相变层局部吸热储能的耦合关系（图5j）。

图5 (a) Ecoflex和EP1-2在20°C至90°C范围内的储能模量和损耗模量随温度变化曲线。(b) 各样品的DSC曲线。(c) 1个太阳辐照下样品的背面温度。(d) 半覆盖EP材料的样品背面温度。(e) SKMP的光热与相变循环曲线。(f) 对应循环试验的红外图像。(g) EP复合材料中相变过程示意图。有限元分析显示(h) EP复合材料和(i) Ecoflex的相变过程。(j) SKMP的热传递过程模拟。

应用演示与综合展望

100次弯曲循环测试后，SKMP织物表面未出现涂层分离或开裂，展现出优异的循环稳定性（图6a、6b）。将样品集成于防护背心和腕带后，光热侧温度显著高于相变侧，呈现出清晰的温度梯度，证实了有效的热管理能力（图6c、6d）。在模拟剪切攻击测试中，无保护的皮肤出现明显伤口，纯Kevlar保护下伤口显著减弱，而SKMP保护的皮肤保持完整形态，展现出极端环境下的卓越防护潜力（图6e‑6h）。

图6 (a) SKMP复合织物的循环弯曲测试。(b) 弯曲过程的数码照片。(c) 所设计背心和(d)腕带的光学与热红外图像，展示热调控行为。(e) 突发冲击下的冲击防护示意图。(f) 配备人造皮肤的人体模型。(g) 不同样品剪切过程的数码图像。(h) 不同防护下人造皮肤的光学图像。

综上所述，该研究通过不对称剪切增韧Janus结构，成功实现了能量自循环管理与力学防护的协同。STF作为力学增强剂赋予Kevlar织物高纤维桥接能力和可靠的纤维间摩擦，使SKMP具备优异的穿刺耐受性（160.59 N）和撕裂耐力（621 N）；多尺度能量耗散机制（STF瞬时固化、纤维桥接增强、协同应力传递）使其具有125.79 m/s的防弹极限速度。MXene和PEG作为能量调节器，通过局域表面等离子体共振效应实现光热转换（温差12.4°C），相变焓达57.2 J/g，实现热缓冲与储能。这种双模式防护的Janus复合织物为恶劣环境下个人安全提供了持久的熱供应与安全防护的可行策略。