有机硅材料凭借出色的弹性、稳定性与生物相容性，在众多领域广泛应用。伴随机械超材料、柔性电子和软机器人等新兴领域发展，对高性能、结构复杂且具备多种功能的有机硅组件需求大增。3D打印技术为有机硅材料的复杂结构制造带来可能，其中基于挤出的直接墨水书写（DIW）法备受关注。然而，现有用于DIW打印有机硅复合材料的策略存在诸多不足，如流程复杂、打印分辨率低、机械强度弱，且传统方法常忽视功能化设计，难以满足复杂环境应用需求，实现多功能集成颇具挑战。  

     来自中国科学技术大学龚兴龙教授团队通过界面工程策略制备了具有异质界面的银包空心玻璃微球（SHGMs），并将其与聚二甲基硅氧烷（PDMS）结合用于3D打印，制备出具有抗冲击、高导电和机械坚固特性的SHGMs-PDMS（SHP）复合材料。该材料具备高压缩模量、高能量耗散密度、优异导电性和高效电磁干扰屏蔽效能，还能制成具有负泊松比的精细结构。相关工作以“Interface Engineering Assisted 3D Printing of Silicone Composites with Synergistically Optimized Impact Resistance and Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness”为题发表在《Small》上，为新一代防护设备用有机硅复合材料的快速制造开辟了有效途径。 论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士生俞佳骏，通讯作者为龚兴龙教授和刘帅博士后。
 

1. SHP复合材料的制备与结构表征，通过多巴胺辅助化学镀银法制备SHGMs，将其与PDMS混合后利用3D打印技术制得SHP复合材料，运用SEM、XPS、FT-IR等手段对材料结构和成分进行分析。结果显示，成功制备出具有丰富异质界面的SHGMs，其均匀分散于PDMS基质中，未破坏PDMS固有化学稳定性，且复合材料表面光滑、结构规整，具备良好的热稳定性和结构可成型性。
 

2. SHP前驱体的流变性能研究，采用稳态剪切、振荡剪切实验以及AFM表征技术，研究不同微球种类及含量对SHP前驱体流变性能的影响，并利用有限元分析（FEA）模拟其在气动驱动下的流动情况。结果表明，SHGMs显著提升了前驱体的粘度和储能模量，使其呈现剪切变稀行为和触变性，SHP-74前驱体的流变性能最适宜挤出式3D打印，且通过调节气动压力可有效控制挤出速度。
 

3. SHP复合材料的基本性能测试，通过观察打印图案、SEM成像、EDS映射、FT-IR光谱、TG分析和WAXS测试，对SHP复合材料的结构、成分、热稳定性和结晶度进行研究；开展准静态压缩、导电性测试，考察其力学和电学性能。结果发现，SHP复合材料打印精度高，微球分散均匀，热稳定性良好，压缩模量达12.65MPa，能量耗散密度高，电导率可达2.55×10³ S/m，且在压缩过程中电阻变化极小，导电性稳定。
 

4. SHP复合材料的抗冲击性能评估，利用自动落锤冲击系统和弹道冲击平台，分别对SHP复合材料在不同冲击高度和高速冲击下的抗冲击性能进行测试。结果表明，SHP能有效衰减冲击载荷，在落锤冲击实验中，相比对照组，其峰值力大幅降低，缓冲时间延长；在弹道冲击实验中，当入射速度为192.3m/s时，能量耗散达1.91kJ/m，抗冲击性能优于常见工程材料。
 

5. SHP复合材料的电磁屏蔽性能分析，运用FEA模拟结合矢量网络分析仪测试，研究不同SHGMs含量和厚度的SHP复合材料的电磁屏蔽性能，并探讨其屏蔽机制。结果显示，随着SHGMs含量增加，SHP复合材料的电磁屏蔽效能（EMI SE）显著提高，2mm厚的SHP复合材料EMI SE可达92.5dB，主要屏蔽机制为反射损耗和吸收损耗，且在机械压缩和冲击后仍能保持良好的屏蔽效率。
 

6. NPR结构复合材料的设计与性能验证，设计具有负泊松比（NPR）特性的结构，通过单轴拉伸模拟、电磁屏蔽和动态冲击实验，研究不同结构的力学行为、电磁屏蔽和抗冲击性能。结果表明，CT和REH结构具有显著的NPR特性，REH结构的SHP复合材料在电磁屏蔽和抗冲击方面表现优异，能有效阻挡电子表的电磁波，且在循环冲击后仍具有良好的耐久性。
 

研究结论
本研究展示了一种可行且高效的3D打印策略，用于制造具备出色抗冲击性和电磁干扰屏蔽能力的有机硅复合材料。通过界面工程制备出银包空心玻璃微球（SHGMs），其银部分在有机硅基质中形成不连续的微观异质结构，促进了导电性。由于微球与有机硅前驱体间的摩擦接触，SHGMs成为有效的流变改性剂，赋予粘弹性的SHGMs-PDMS（SHP）墨水剪切变稀和屈服应力流体特性。SHGMs多组分特性的协同作用，对提升SHP的机械和电气特性至关重要。SHP实现了高压缩模量（12.65MPa）、高能量耗散密度（应变50%时为1.58×10⁶ N/m² ）、优异的导电性（2.55×10³ S/m ）以及长期稳定性。在动态冲击下，SHP的抗冲击性能优于普通工程材料，在高速弹道冲击下，当子弹入射速度为192.3m/s时，其能量耗散能力达到1.91kJ/m。更重要的是，得益于银与外部空间的阻抗失配和以欧姆损耗为主的电磁衰减行为，2mm厚的SHP实现了高达92.5dB的高效电磁屏蔽效能，且在经受复杂机械激励后，仍能保持远超商业标准的屏蔽效率。最后，还证明了通过牺牲模具模板可有效制备NPR结构复合材料，其在关节弯曲时能保持适应性、稳定性和舒适性，从而具备更完善的保护能力。

(责任编辑：admin)

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