可变形外骨骼，这种在科幻电影中常见的装备，如今正逐渐走进现实。它们在正常情况下柔软舒适，易于穿戴，而在关键时刻能够迅速变得坚硬，提供必要的保护。这种技术对于个人防护和机器人技术的发展至关重要，也是许多科技爱好者梦寐以求的创新。

文章介绍的是一种创新材料——碳纤维织物增强热硬化水凝胶（CFRTH）复合材料，它被认为是开发可变形外骨骼的理想选择。这种材料通过将碳纤维织物与热固化水凝胶相结合，不仅大幅提升了水凝胶的机械性能，还赋予了材料快速、可重复的刚度调节能力。在常温下，CFRTH复合材料柔软且耐用，展现出极佳的柔韧性和形状适应性，使其能够轻松贴合人体的各种动作。而当温度上升时，这种材料能够迅速变得坚硬和刚性，提供强大的保护。通过电热刺激，CFRTH复合材料的弯曲模量可以从2.3 MPa激增至539.7 MPa，增幅达到惊人的232倍，这使得材料在能量吸收和耗散方面表现出色。

在实际测试中，经过电热刺激的CFRTH复合材料在落球试验中的峰值力衰减率显著提高，达到了200%的改善。同时，在穿透和刀刺测试中，这种材料也展现出了卓越的抗穿刺性能。此外，CFRTH复合材料在保护易碎物品免受冲击方面也表现出了极高的效率。这项研究不仅为开发可变形外骨骼提供了一种新颖而通用的方法，而且这种外骨骼在正常状态下易于穿戴，通过电热刺激即可按需增强刚度和冲击保护性能，为未来的个人防护和机器人技术开辟了新的可能性。

一、 引言

变形外骨骼，即能够在正常情况下柔软舒适，在需要时迅速变硬增强防护能力的外骨骼，一直是科幻迷的梦想，同时也具有重要的实际应用价值，例如个人防护和机器人领域。理想的变形外骨骼材料应具备以下三个特点：可穿戴性、可变形性和可调节性。目前，具有主动刚度可调节性的材料或结构，如形状记忆合金、低熔点合金、磁流变或电流变流体、堵塞结构等，都难以满足变形外骨骼的需求。它们要么在常温下过于坚硬，要么刚度变化范围有限，要么结构复杂，难以实现理想的变形外骨骼。

近日，国际知名期刊《Composites Science and Technology》发表了一篇由重庆大学、西南大学研究团队完成的关于变形外骨骼材料的研究成果。该研究提出了一种基于碳纤维增强热固化水凝胶（CFRTH）复合材料的理想材料，用于开发可变形外骨骼，该材料在常温下柔软且可穿戴，但在电热刺激下可瞬间大幅提高刚度，从而提供优异的冲击和穿刺防护性能。论文标题为“Stiffness-switchable hydrogel composite for transformable exo-suit”。

二、 研究内容及方法

制备碳布增强热硬化水凝胶复合材料所需的原材料，包括丙烯酸 (AAc)、羧甲基纤维素 (CMC)、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺 (MBAA)、过硫酸铵 (APS)、醋酸钙 (CaAc)、盐酸 (HCl) 和高导电碳纤维。

首先，将 CMC 粉末溶解在去离子水中，然后加入 AAc 单体、交联剂 MBAA 和引发剂 APS，搅拌均匀。之后，将碳纤维用盐酸溶液处理 24 小时，用水冲洗至中性。通过自由基聚合制备热硬化水凝胶，并将经酸处理的碳纤维引入其中，最终得到 CFRTH 复合材料。

图 1. a) CFRTH 复合材料的制造工艺和应用示意图。b) CFRTH 复合材料的表面和 c) 横截面 SEM 图像（碳纤维织物和水凝胶基质之间的界面）。光学图像显示：d) CFRTH 复合材料的刚度可切换性和 e) 电热硬化成形性。

作者研究了 CFRTH 复合材料的制备过程、微观结构、机械性能、热性能、电热性能以及在冲击保护方面的应用。通过实验观察，CFRTH复合材料在环境温度下表现出柔软和可穿戴的特性，而在温度升高时能够迅速变硬，展现出显著的热硬化行为。

图2. CFRTH复合材料的电加热行为：a)施加电压为1、3、5和7 V时的红外图像，b)不同施加电压下的温度-时间曲线，c)施加7 V电压下的循环温度变化，d)不同施加电压下CFRTH复合材料的三点弯曲力-位移曲线。

通过拉伸测试、撕裂测试和三点弯曲测试评估了 CFRTH 复合材料的机械性能，结果表明其强度和韧性得到了显著提升。通过差示扫描量热法和动态力学分析研究了 CFRTH 复合材料的热性能，揭示了其热硬化机理。通过红外图像、温度曲线和三点弯曲测试研究评估了 CFRTH 复合材料的电热性能，证实了其可以通过电热刺激实现从软态到硬态的转变。

图 3. 施加电压后 CFRTH 复合材料在环境温度和高温（70 ◦C）下的弯曲性能：a) 三点弯曲试验的力-位移曲线，b) 弯曲模量和弯曲强度。c) 未经 Ca2+ 处理的水凝胶和 TH 水凝胶的 DSC 曲线和 d) DMA 曲线。e)CFRTH 复合材料的电热硬化机制示意图。

此外，研究还通过跌落球测试、穿刺测试和刀刺测试，证明了CFRTH复合材料在电热刺激下在冲击吸收和抗穿刺方面的卓越性能，与未转变状态相比，转变后的CFRTH在峰值力衰减率上提高了200%，并且在抗穿刺测试中表现出色。

图4. CFRTH复合材料作为可变形外骨骼的应用演示：a) 抗刀刺试验示意图（刀落高度：50 cm）及试验后受损的CFRTH和见证纸，b) 玻璃板保护试验示意图（从20 cm高度落下一个111 g的球），试验后的装置和玻璃板，c) 鸡蛋保护试验（从20 cm高度落下一个111 g的球）及鸡蛋状态。

通过有限元分析（FEA）该文章进一步探讨了CFRTH复合材料的冲击保护机制，并展示了其在实际应用中，如保护易碎产品免受钢球冲击的高效率。这些结果证实了CFRTH复合材料作为可变形外骨骼的理想材料，具有在正常条件下的可穿戴性，以及在需求时通过电热刺激增强的刚度和冲击保护性能。

图 5. a) 冲击试验的有限元分析 (FEA) 模型。b) PDMS 基材中的 Von-Mises 应力 (MPa) 分布：(I) 无 CFRTH 保护，(II) 有软 CFRTH 保护（原始状态），(III) 在电热刺激下有硬 CFRTH 保护。

三、小结

该研究成功制备了一种基于 CFRTH 复合材料的变形外骨骼材料，该材料在常温下柔软舒适，在电热刺激下可迅速变硬，并具有优异的能量吸收/耗散性能和冲击防护能力。该研究成果为变形外骨骼的开发提供了新的思路，具有重要的理论意义和应用价值。

原始文献：

Zhu, Y., Xu, M.-T., Tang, Z.-H., Chen, F., Wang, D.-Y., Li, Y.-Q., & Fu, S.-Y. (2024). Stiffness-switchable hydrogel composite for transformable exo-suit. Composites Science and Technology, 256, 110763.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110763