鑒于此，中國科學技術大學龔興龍課題組、澳大利亞伍倫貢大學李衛華課題組提出了一種剪切變硬膠基異質自組裝策略。該策略通過剛柔相濟的模式，在基底材料表面構建仿珍珠層結構涂層，提升基底材料的力、熱沖擊防護能力，具有廣泛的適用性。此外，氫鍵與動態硼氧鍵強化了材料的界面相互作用，使織物表現出優于現有商用織物的卓越力學性能，為消防織物難題提供了可行的解決方案。相關研究成果以“Bioinspired Flame-Retardant and Impact-Resistant Aramid Composites via Nacre-Mimetic Self-Assembly for Firefighting Applications”為題，發表在國際Top期刊《Advanced Materials》。論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士生李子木，通訊作者為王勝副教授與龔立平博士，李衛華教授和龔興龍教授給予了指導，研究工作的其他貢獻者還有劉帥博士、王文慧、吳建鵬博士和李嘉豪。

頻繁發生的火災事故對消防員的安全構成了嚴重威脅，這一現實問題要求消防防護材料不斷提高性能以滿足消防工作需要。受貝殼珍珠母微結構的啟發，本研究提出了一種異質自組裝策略。該策略以氫氧化鎂為磚、剪切變硬膠為泥，二者形成“磚泥結構”附著于芳綸織物表面，使其具備優異的抗沖擊和阻燃能力。這展示了一種全新的生產策略，不僅提高了普通織物的力-熱耦合性能，還為其在工業應用中提供了可能性。

圖1 異質自組裝設計

剪切變硬膠-氫氧化鎂涂層的阻燃性能表現突出，當其暴露于火焰時，能夠作為吸熱屏障來調節溫度梯度，以減緩聚合物的分解和燃燒過程。其分解產物為穩定的耐火氧化鎂，能夠形成具有表面保護功能的陶瓷膜。內部的珍珠層結構延長了氧氣傳輸路徑，使材料同時具備隔熱和隔氧功能。此外，水蒸氣減少了燃燒過程中形成的煙霧顆粒，從而抑制煙霧，提高安全性。智能材料通過吸收熱量、稀釋可燃氣體、形成隔熱隔氧層和抑制煙霧產生來阻止火焰傳播。

圖2 阻燃性能研究

圖3 阻燃機理分析

在熱防護方面，整齊排列且具有高反射性的六方氫氧化鎂能夠反射大量的輻射熱，減少傳導到人體的熱量。同時，各向異性的分層結構使熱量橫向擴散，大幅度增加了散熱面積，減少了縱向的熱量傳導。因此，智能材料的結構能夠顯著減輕熱輻射對人體的傷害。

圖4 熱輻射防護探究

在外界沖擊荷載的作用下，有序分層的有機-無機互穿雙網絡結構能夠通過斷裂和變形引發多階段裂紋擴展演化。該異質結構迫使裂紋改變其傳播路徑，從而分散和消耗大部分的沖擊能量。同時，基底材料層間的滑移和位錯能夠消耗動能，當沖擊應力傳播到纖維基底時，層間剪切變硬膠限制了位錯變形，從而進一步提升防護效果，最大限度地保護人體。

圖5 準靜態力學行為

圖6 高速沖擊載荷防護

綜上，本研究設計了一種集阻燃、熱防護和抗沖擊等多種功能為一體的智能消防服。在日常運動中，消防服布料輕盈柔軟，能貼合身體且不影響活動。在受到爆炸沖擊時，消防服能夠迅速變硬，根據不同的防護需求提供最佳的防護性能，保護穿著者免受傷害。

圖7 智能消防服

總體而言，本研究開發了一種剪切變硬膠基異質自組裝策略，能夠實現極端環境下力-熱耦合多場防護，通過引入仿珍珠層結構和材料，賦予智能材料出眾的力、熱沖擊防護能力，使其性能超越了眾多商用材料。這一自組裝設計策略為研發更先進的阻燃抗沖擊材料提供了指導，在智能防護等眾多領域具有廣闊的應用前景。

原文鏈接：

Zimu Li, Sheng Wang*, Liping Gong*, Shuai Liu, Wenhui Wang, Jianpeng Wu, Jiahao Li, Weihua Li, Xinglong Gong. Bioinspired Flame-Retardant and Impact-Resistant Aramid Composites via Nacre-Mimetic Self-Assembly for Firefighting Applications. Advanced Materials 2025, 2508606. DOI: 10.1002/adma.202508606.

https://doi.org/10.1002/adma.202508606