一种新颖的基于珍珠层仿生结构的高强度抗穿刺

水凝胶基柔性材料已广泛应用于人工智能、可穿戴设备、软物质机器人、电子器件等领域，而如何保证其在冲击作用下维持其结构与性能的稳定性是待解决的一大难题。贝壳珍珠层结构由文石晶体与有机基质交错排列而成，呈现出规整有序的"砖墙"式结构，具备极高的强度和韧性。

陈咏梅课题组采用紫外引发自由基聚合的方法设计了一种新颖的基于珍珠层仿生结构的高强度抗穿刺氯化锂/聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝胶（LiCl-PVA/PAA）。经由紫外引发聚合的PVA/PAA水凝胶前驱体在浓锂盐的作用下形成仿珍珠层"砖墙"式结构，其中PAA相当于“砖”承受抗压强度，PVA形成沿着相界分布的薄层网络起能量耗散的作用（相当于“砂浆”），使该基于珍珠层仿生结构LiCl-PVA/PAA水凝胶获得了极优异的机械性能（图1）。

图1 基于珍珠层仿生结构的高强度抗穿刺LiCl-PVA/PAA水凝胶 (a)凝胶珍珠层形成机理 (b) PAA与(1)PVA链之间及(2)PAA与Li +之间的原子分子动力学模型 (c) LiCl-PVA/PAA水凝胶的制作步骤 (d) PVA/PAA水凝胶前驱体体积及透明度随在锂盐溶液中浸泡时间的变化示意图

该凝胶具有自修复功能，可以抵抗500 g的负载以及实现缝合操作。其拉伸强度达到11.3±2.1MPa，应变超过1300％，韧性为48.0±3.1 MJ / m3，断裂能为54.9kJ / m2，抗压强度超过700 MPa (是目前最先进的双网络水凝胶的10倍以上)，此外，该凝胶薄膜可承受钉尖400 MPa的静态穿刺，同时可承受最高时速为540公里/小时的飞行钢球（动能是尖锐飞行物的8倍）的冲击，并将钢球弹回后恢复原态，展示出了极优异的抗穿刺抗击打能力（图2）。

图2 LiCl-PVA/PAA水凝胶抗穿刺性能（a）凝胶珍珠被切成两半后，并抵抗500g的负载照片 (b) 两片凝胶珍珠层缝合照片 (c) PVA和PAA的总含量保持在30 wt%，水凝胶应力应变图(d)1.5 mm厚的试样在400 Mpa静压下的耐穿性 (e)凝胶对飞钢球(直径10mm，重量4.10 g，速度540 km/h)的阻力

通过设计贝壳珍珠层结构的LiCl-PVA/PAA水凝胶同时具备高韧性和高强度，后续工作再利用水凝胶多样化体系的电化学兼容性，使该凝胶材料成为可预见的抗穿刺电池、燃料电池以及电子产品的候选材料。本篇文章发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上，陕西科技大学特聘教授陈咏梅，西安交通大学宋晓平教授和美国内布拉斯加大学谭力教授为共同通讯作者。

论文信息与链接：

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