凯夫拉增强水凝胶复合材料：具有优异的抗穿刺性能、应变传感能力和抗冻性能，适用于柔性个人防护装备

《Journal of Materials Research and Technology》：Kevlar-Reinforced Hydrogel Composites with Enhanced Puncture Resistance, Strain-Sensing, and Anti-Freezing Performance for Flexible Personal Protective Equipment

耐穿刺、应变传感与抗冻性协同提升的Kevlar/PSGNA水凝胶复合材料研究

　　随着全球安全形势的不断变化，个人防护装备（PPE）的需求在军事和民用领域均呈现出上升趋势。特别是在那些枪支管制严格的地区，防刺穿服装成为一种关键的防护材料，能够有效防止因尖锐物体（如刺刀、针头和锋利边缘）造成的伤害。此外，防刺穿材料也广泛应用于高风险工业环境和竞技体育领域，例如金属加工、伐木、击剑和射箭等。然而，尽管这些材料在保护性能方面具有显著优势，其在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是在环境适应性和功能集成方面。因此，开发兼具优异防刺穿性能、智能监测功能以及在极端环境条件下仍能保持稳定性能的材料成为当前研究的热点。

在传统防刺穿材料的基础上，近年来科学家们致力于研究如何在不牺牲穿戴者灵活性的前提下，提升防护材料的机械性能。为此，研究者们开发了多种复合材料，例如将高性能纤维嵌入柔性基体中，或者利用具有应变敏感性的材料，如剪切增稠流体（STF）和剪切硬化凝胶（SSG），以实现材料的动态响应。此外，一些研究还尝试引入陶瓷增强热塑性树脂，以提高材料的抗冲击和抗热性能。这些材料的共同特点是能够提供机械保护，同时保持一定的柔韧性，以便穿戴者在执行任务时能够自由活动。然而，这些材料往往难以满足极端环境下的使用需求，尤其是在低温、高湿或紫外线辐射等条件下，其性能可能会受到严重影响。

为了解决这一问题，研究人员开始关注材料的环境适应性。例如，一些研究团队开发了具有抗冻特性的材料，以确保在低温条件下仍能保持良好的机械性能。此外，为了提高材料的耐久性，科学家们还尝试通过化学改性或物理处理来增强其在极端条件下的稳定性。这些研究的进展表明，开发一种能够在多种环境下保持优异性能的多功能防护材料，是实现智能防护系统的重要一步。

在这一背景下，本文提出了一种新型的Kevlar增强柔性复合材料，该材料不仅具备出色的防刺穿性能，还能够实现应变传感功能，并在低温条件下保持良好的机械和电气性能。该材料由聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和甘油（Gly）组成的水凝胶基体，经过钠柠檬酸（Na?Cit）和硫酸铝（Al?(SO?)?）的双盐溶液浸泡处理后，形成了具有高度机械强度和应变响应能力的复合材料。通过将这种水凝胶与Kevlar织物结合，研究人员成功制备出一种兼具防刺穿性能和应变传感能力的复合材料，该材料在常温（25°C）和低温（-15°C）条件下均表现出卓越的性能。

在常温条件下，该复合材料表现出高达318.70 N的准静态刺穿力和2.27 J的冲击能量吸收能力，分别比纯Kevlar织物提升了3.09倍和2.47倍。而在低温条件下，该材料仍能保持55.97 N的准静态刺穿力和265.58 N的动态刺穿力，显著优于纯Kevlar织物的性能。此外，该复合材料的弯曲刚度仅为7.78 mN·cm，表明其在低温环境下仍具有良好的柔韧性，从而确保穿戴者的舒适性和活动自由度。

在应变传感方面，该复合材料表现出高度的线性响应和宽广的检测范围。在常温条件下，其应变灵敏度达到0.489，线性度（R2）高达0.991，表明其能够准确地检测应变变化。而在-15°C的低温环境下，其应变灵敏度略有下降，但仍保持在0.271的水平，线性度（R2）达到0.992，显示出良好的低温适应性。此外，该材料在500次循环应变测试中表现出优异的稳定性，其应变响应能力在多次测试后依然保持不变，说明其具有长期使用的潜力。

在防冻性能方面，该水凝胶材料通过引入双盐溶液，有效抑制了水分子在低温下的结晶行为。这种处理方式不仅增强了材料的机械强度，还使其在-15°C的低温环境下仍能保持较高的拉伸强度（3.50 MPa）和断裂韧性（6.38 MJ/m3）。通过对比不同盐浓度的水凝胶样品，研究人员发现，当盐的比例为2:2时，水凝胶的机械性能达到最佳状态，其拉伸强度、弹性模量和断裂韧性均显著优于其他比例的样品。这一结果表明，双盐溶液的协同作用对于提升材料的机械性能至关重要。

在实际应用方面，该复合材料展现出巨大的潜力。其优异的机械性能和应变响应能力使其成为智能防护装备的理想选择，特别是在高纬度或高海拔等极端环境中。例如，该材料可以用于制造具有防刺穿功能的军用头盔、防割护颈装置、防刺穿防护服、防割手套以及防刺穿鞋等。此外，由于其在低温条件下仍能保持良好的柔韧性和机械性能，该材料还适用于户外冬季环境中的智能穿戴设备，如用于监测人体运动的传感器。

在测试方法上，研究人员采用了多种机械性能测试手段，包括准静态刺穿测试、动态刺穿测试、单纤维拔出测试和撕裂测试等。这些测试不仅验证了材料的机械强度，还评估了其在不同条件下的耐久性和稳定性。例如，在动态刺穿测试中，研究人员使用了重锤冲击装置，模拟了实际应用中可能遇到的冲击情况。测试结果显示，该复合材料能够有效吸收冲击能量，其能量吸收率高达94.58%，远高于纯Kevlar织物的性能。

此外，研究人员还通过电学测试评估了该材料的应变传感能力。通过测量电阻变化，他们发现该复合材料在应变检测方面表现出高度的灵敏度和稳定性。在常温条件下，其电阻变化范围可达0～100%，并且在500次循环测试后仍能保持一致的响应能力。而在低温条件下，虽然电阻变化幅度略有下降，但其线性度依然保持在较高水平，说明该材料在极端环境下仍能提供可靠的监测数据。

该研究的创新点在于，通过引入双盐溶液对水凝胶进行改性，不仅提升了其机械性能，还赋予了其在低温条件下的抗冻能力。这种改性方法为开发多功能防护材料提供了新的思路，同时也为智能防护系统的构建奠定了基础。研究人员还指出，这种复合材料的制备方法具有良好的可扩展性，适用于大规模生产，从而满足实际应用中的需求。

在实际应用中，该复合材料的灵活性和应变响应能力使其成为智能防护装备的重要组成部分。例如，该材料可以用于制造能够实时监测人体运动的智能服装，从而为穿戴者提供更精确的运动反馈。此外，其抗冻性能使其在寒冷环境中仍能保持良好的使用效果，为户外作业和军事行动提供了可靠的防护方案。

综上所述，本文提出了一种具有多重功能的Kevlar增强柔性复合材料，该材料不仅在常温和低温条件下均表现出优异的防刺穿性能，还具备良好的应变传感能力和抗冻性能。这种材料的开发为下一代智能防护装备提供了新的可能性，同时也为多功能防护材料的设计和应用提供了重要的参考价值。未来，随着相关技术的进一步发展，这种复合材料有望在更多领域得到应用，为人类在极端环境下的安全防护提供更加全面的解决方案。