采用玄武岩纤维芯增强的聚二硼硅氧烷夹层结构的抗冲击性能

《COMPOSITE STRUCTURES》：Anti-impact performance of polydiborosiloxane sandwich structure reinforced with basalt fiber core

本文提出一种反序纤维与弹性体复合结构，制备了由聚二硼氧烷（PDBS）外层和改性玄武岩纤维（BK）芯层构成的PBK复合板材，1mm厚PBK-1材料在50-80cm落球高度下冲击衰减率达95%-97%，能量耗散效率显著高于传统结构。研究证实PDBS动态B-O键与纤维缠绕结构协同作用，实现高应变率下瞬时固态行为与延性耗能的复合机制，且在脆性骨标本防护测试中表现优异。

　　近年来，随着对安全防护材料需求的不断增长，特别是对轻质、柔软且具备良好抗冲击性能材料的关注日益增加。在军事、交通运输以及体育活动中，频繁发生的机械冲击对人员安全构成了潜在威胁，因此，开发高效、轻便且具有柔韧性的抗冲击材料成为保障人身安全的关键课题。传统的防护装备如金属、陶瓷或玻璃制成的防弹衣，虽然在防护性能上表现优异，但其重量较大、结构僵硬，限制了其在实际应用中的灵活性与舒适性。因此，科研人员不断探索新型材料，以实现轻量化与高防护性能的结合。在此背景下，一种具有独特结构的复合材料PBK应运而生，其创新之处在于采用了与传统材料相反的层叠顺序，即“聚二硼硅氧烷（PDBS）/改性编织玄武岩纤维（BK）/聚二硼硅氧烷”的三明治结构，旨在通过结构优化，提升材料在薄型设计下的抗冲击能力。

PBK复合材料的制备过程采用了“逆向层叠”的设计理念，突破了传统材料中纤维与弹性体层叠顺序的限制。通过溶液浸渍与层叠工艺，研究人员将改性后的编织玄武岩纤维作为核心层，而聚二硼硅氧烷则被用作外层材料，形成了一种全新的三明治复合结构。这种结构设计使得材料在受到冲击时，能够充分发挥纤维与弹性体之间的协同效应。在低速落球冲击实验中，厚度为1毫米的PBK-1材料表现出卓越的能量吸收能力，其冲击力衰减率达到了95%至97%之间，显示出良好的能量耗散性能。相比之下，相同厚度的玄武岩纤维材料在冲击时的缓冲时间仅为PBK-1的六分之一，说明PBK-1在冲击吸收方面具有显著优势。

材料的优异性能与其独特的结构和化学特性密切相关。PDBS作为外层材料，具有动态的B-O弱交联结构，这使得其在受到高速冲击时能够迅速响应，表现出类似固体的特性。这种特性来源于PDBS分子链之间的相互作用，当冲击速度较高时，分子链之间的纠缠程度不足以被破坏，从而形成一种稳定的网络结构，有效传递和分散冲击能量。与此同时，改性后的编织玄武岩纤维作为核心层，其结构的复杂性为能量的进一步吸收提供了可能。纤维编织的交错点与PDBS外层之间形成了独特的能量转化路径，使得冲击能量能够被有效地转化为弹性势能，并通过纤维的延展性和弹性实现进一步的耗散。

此外，PBK-1在对脆性骨样材料的保护测试中也表现出良好的性能，这表明该材料不仅在宏观层面上具有优异的抗冲击能力，而且在微观层面也能有效保护易损结构。这种双重优势使得PBK-1在实际应用中具有广阔的前景，尤其是在需要轻量化与高防护性能结合的领域，如个人防护装备、运动器材以及智能软材料等领域。研究团队认为，这种逆向层叠设计的复合材料，不仅能够满足现代防护材料对轻便性、柔韧性和高能量吸收能力的需求，还为未来开发更多具有智能响应特性的材料提供了新的思路。

为了进一步验证PBK-1的性能，研究团队对其进行了系统的性能测试与分析。其中包括材料的流变特性研究、不同厚度下的冲击响应测试以及实际应用中的保护效果评估。流变特性分析表明，PBK-1在不同应变率下的行为表现出显著的非牛顿流体特性，这种特性使得材料在受到冲击时能够动态调整其结构，以适应不同的应力条件。此外，不同厚度的PBK材料在低速落球冲击测试中也表现出不同的能量吸收能力，厚度越小，其单位体积的能量吸收效率越高，这为实际应用中对材料厚度的优化提供了理论依据。

在实际应用测试中，PBK-1展现出良好的保护性能，特别是在对脆性骨样材料的保护测试中，其表现出的冲击防护能力远超传统材料。这不仅意味着PBK-1在物理防护方面具有优势，还表明其在生物医学应用中也具有潜在价值。例如，该材料可以用于制作轻型的医疗防护装置，如护膝、护肘等，以有效保护人体脆弱部位免受外部冲击。同时，其优异的机械稳定性也使其在恶劣环境下的应用成为可能，如高温、高湿或高腐蚀性的场景。

从材料科学的角度来看，PBK-1的开发不仅依赖于对传统材料结构的重新审视，还涉及对新型材料特性的深入研究。研究团队在实验过程中发现，PDBS与玄武岩纤维之间的界面相互作用是影响材料整体性能的关键因素之一。通过引入改性剂，研究人员成功改善了玄武岩纤维与PDBS之间的相容性，从而增强了材料的整体结构稳定性。这种改性技术为后续研究提供了新的方向，即如何通过化学修饰进一步提升复合材料的性能，使其在更广泛的领域中得到应用。

在实际应用方面，PBK-1的轻质特性使其成为替代传统重型防护材料的理想选择。例如，在军事领域，轻便的防护装备能够提高士兵的机动性与作战效率；在交通运输领域，轻质材料可用于制造安全座椅、车门缓冲装置等，以减少事故中对乘客的伤害；在体育领域，PBK-1可以用于制作高性能护具，如头盔、护膝等，提升运动员的安全性。此外，其独特的“智能响应”特性也使其在智能材料领域展现出应用潜力，如可变形的智能防护服、自适应缓冲装置等。

从材料制备的角度来看，PBK-1的逆向层叠设计不仅简化了制造流程，还提高了材料的可加工性。传统的复合材料制备方法通常需要复杂的层压与固化过程，而PBK-1则通过溶液浸渍与层叠工艺，实现了材料的快速成型与高效组装。这种工艺不仅降低了生产成本，还提高了材料的一致性与稳定性，为大规模生产提供了可能性。此外，PBK-1的结构设计也使其在环境适应性方面具有优势，能够在不同温度与湿度条件下保持良好的性能。

从长远来看，PBK-1的研究不仅推动了新型抗冲击材料的发展，还为材料科学领域带来了新的研究方向。研究人员可以进一步探索不同材料组合对PBK性能的影响，以寻找更加优化的结构设计。同时，通过对材料的微观结构进行深入研究，可以揭示其在不同应力条件下的响应机制，从而为材料的性能提升提供理论支持。此外，PBK-1的开发还为环保材料的应用提供了新的思路，因为其使用的玄武岩纤维具有良好的可降解性，符合当前社会对可持续材料的追求。

综上所述，PBK-1作为一种新型的三明治结构复合材料，其逆向层叠设计与材料特性相结合，使其在抗冲击性能、能量耗散能力以及机械稳定性方面表现出色。这一研究不仅为新型防护材料的开发提供了重要的参考，还为材料科学领域带来了新的机遇。未来，随着对PBK-1性能的进一步优化与应用领域的拓展，这种材料有望在更多场景中发挥重要作用，为人类的安全防护提供更加高效、轻便的解决方案。