抗高频机械冲击的多级响应防护材料及其制备方法

本发明属于防护材料制备，具体涉及抗高频机械冲击的多级响应防护材料，还涉及抗高频机械冲击的多级响应防护材料的制备方法。

背景技术：

1、在航空航天、及特种运动防护领域，轻量化已成为防护装备材料设计的核心需求。减轻材料质量不仅能显著降低空投过程中的物理负荷，还能有效减小冲击过程中的二次惯性损伤。然而，材料在追求轻量化的同时，必须应对瞬时爆发的高频机械冲击。这类冲击往往伴随剧烈的应变率波动，会在材料内部激发高穿透性的应力波，对深层生物组织或精密电子元件造成严重的震荡损伤。

2、现有技术中的轻质多孔防护材料包括聚氨酯（pu）泡沫、乙烯-醋酸乙烯共聚物（eva）泡沫、发泡聚乙烯（pe）等，其耗能过程高度依赖于宏观孔结构的受压变形（如孔壁的弯曲、折叠或坍塌）。这种单一耗能途径使得材料应对高频机械冲击的效能受到聚合物骨架分子链松弛时间的严苛制约，导致其在极短的作用时间内因响应滞后而产生模量瞬时提升现象，使多孔材料从结构吸能转变为应力传导，从而降低了多孔材料的防护效果。此外，由于缺乏有效的能量捕获与转换机制，高频冲击能量极易绕过宏观形变骨架，导致防护效果较差。因此，在轻量化前提下，开发一种能够通过结构形变、能量转换与分子链协同耗散高频冲击能量的多级响应防护材料，具有重要的实际意义和应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供抗高频机械冲击的多级响应防护材料的制备方法，解决现有防护材料在高频机械冲击下响应滞后以及高频冲击能量极易绕过宏观形变骨架，导致防护失效的问题。

2、本发明的另一目的是提供抗高频机械冲击的多级响应防护材料。

3、本发明所采用的技术方案是，抗高频机械冲击的多级响应防护材料的制备方法，步骤如下：

4、步骤1，制备功能化离子液体预聚体；

5、步骤2，通过溶胶凝胶反应制备分级多孔骨架；

6、步骤3，制备孔隙键合压电纳米膜的分级多孔材料；

7、步骤4，通过溶剂梯度交换处理制备多级响应防护材料。

8、本发明的特点还在于：

9、步骤1的具体过程为：将含有活性羟基的离子液体、芳香族异氰酸酯、多元醇、催化剂混合并搅拌均匀得到混合溶液，混合溶液在氮气保护且在60℃-90℃的温度下进行预聚反应1.5h-4h，得到功能化离子液体预聚体。

10、含有活性羟基的离子液体为1-羟乙基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐、1-羟丙基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐或1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种；

11、芳香族异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯或对苯二异氰酸酯中的一种；

12、多元醇为ptmg、ppg或peg的一种，分子量为1000g/mol -3000g/mol；

13、催化剂为有机锡类催化剂、叔胺类催化剂中的一种，其中有机锡类催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡；叔胺类催化剂为三乙胺或三乙烯二胺；

14、组成混合溶液的各原料的质量百分比为：含有活性羟基的离子液体5%-15%，芳香族异氰酸酯55%-75%，聚醚多元醇9.5%-39.9%，催化剂0.1%-0.5%，以上组分质量百分比之和为100%。

15、将步骤1得到的功能化离子液体预聚体溶于无水乙腈中，再依次加入阴离子表面活性剂与去离子水的混合液、三乙胺、匀泡剂，搅拌均匀后，得到聚脲前驱体溶液，将聚脲前驱体溶液转入模具，在30℃-60℃的温度下反应12h-48h，得到湿凝胶，将湿凝胶在40℃-80℃的温度下常压干燥12h-24h，得到分级多孔骨架。

16、组成聚脲前驱体溶液的各原料的质量百分比为：功能化离子液体预聚体4.5%-8.8%，无水乙腈88%-90%，阴离子表面活性剂与去离子水的混合液1.5%-4.7%，三乙胺0.5%-1.2%，匀泡剂0.3%-0.5%，以上组分质量百分比之和为100%；

17、阴离子表面活性剂与去离子水的质量比为1:5-20；

18、阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠；

19、匀泡剂为ak8805、l-580或l-6900中的一种。

20、步骤3的具体过程为：将分级多孔骨架置于含有活性压电纳米片分散液中并进行超声分散30min-60min，超声分散后进行浸渍处理，结束后取出，在30℃-40℃的温度下静置挥发4h-8h，随后在60℃-80℃的温度下干燥6h-12h，得到孔隙键合压电纳米膜的分级多孔材料；

21、浸渍处理的过程为：先在0.06mpa-0.09mpa的真空度下进行负压浸渍5min-10min，再在常压下进行浸渍20min，此为一个循环，共进行3~5个循环。

22、含有活性压电纳米片分散液的制备方法为：

23、按质量百分比称取以下组分：活性压电纳米片0.5%-2.0%，分散剂0.2%-0.5%，溶剂97.8%-99%，以上组分质量百分比为100%；将上述组分混合均匀即可得到含有活性压电纳米片分散液；

24、活性压电纳米片为羟基化二硫化钼纳米片或氨基化钛酸钡纳米片；

25、分散剂为pvp或triton x-100；

26、溶剂为去离子水或无水乙醇。

27、步骤4的具体过程为：将孔隙键合压电纳米膜的分级多孔材料进行溶剂梯度交换处理，结束后在35℃-60℃的温度下常压干燥12h-24h，得到多级响应防护材料；

28、溶剂梯度交换处理的过程为：将孔隙键合压电纳米膜的分级多孔材料置于第一交换液中浸渍6h-12h，取出后置于第二交换液中浸渍6h-12h，取出后置于第三交换液中浸渍6h-12h，取出后置于第二溶剂中浸渍12h-24h。

29、第一交换液由体积比为3:1的第一溶剂和第二溶剂混合得到；

30、第二交换液由体积比为1:1的第一溶剂和第二溶剂混合得到；

31、第三交换液由体积比为1:3的第一溶剂和第二溶剂混合得到；

32、第一溶剂为无水乙腈；

33、第二溶剂为正己烷、正戊烷、环己烷或七氟烷中的一种。

34、本发明所采用的另一技术方案是，抗高频机械冲击的多级响应防护材料，采用上述制备方法制备得到。

35、本发明的有益效果是：

36、（1）本发明抗高频机械冲击的多级响应防护材料的制备方法，能通过分级多孔骨架、孔隙键合压电纳米膜以及含有活性羟基的离子液体侧链之间的多级协同，实现对高频机械冲击的高效耗散；

37、（2）本发明抗高频机械冲击的多级响应防护材料的制备方法，利用阴离子表面活性剂诱导水相与乙腈相界面发生相分离构筑的分级多孔结构在受到高频机械冲击时，能通过微米级与纳米级孔隙的梯度压缩变形，提供极大的缓冲行程并吸收宏观冲击动能；

38、（3）本发明方法制备的抗高频机械冲击的多级响应防护材料，孔隙的梯度压缩变形会带动横跨孔隙中的压电纳米膜发生谐振，诱导压电反应并将捕获的机械振动能瞬时转化为电能，同时，锚定在分级多孔骨架上的离子液体侧链随孔隙变形与压电纳米膜的谐振而产生剧烈的分子链内摩擦，将压电转换余量和剩余机械应力转化为热能耗散，则构建了从孔结构吸能、孔隙中压电纳米膜换能到骨架中分子链耗能的多级响应耗散体系，从而大大提高了防护效果。