近年来，Kevlar织物因其高强度、轻量化等特点被广泛应用于柔性冲击防护领域，但织物表面疏松的纱线连接使得单层Kevlar织物在面临穿刺载荷时容易因纱线滑移而受到破坏。利用Kevlar纤维作为结构单元，剪切增稠液（STF）作为增强相是构建高性能柔性防护材料的可靠力学设计方案。然而，面向日益复杂的实际应用环境，防护材料不仅需要承受力、热等多种载荷，更面临着动态变化的环境参数对人体热稳态的持续干扰。因此，如何突破复合织物的单一力学防护性能局限，实现其在极端热力环境中的多模态防护设计，已成为推动该类复合织物高性能化应用拓展的关键科学问题。

  针对上述问题，中国科学技术大学龚兴龙教授团队突破传统制备工艺限制，巧妙地提出Janus结构设计策略，将光热涂层和相变涂层分别集成于剪切增稠Kevlar织物两侧，研发出具有力学性能增强和动态热管理功能的非对称结构织物（SKMP）。最后，进一步开发了集力学增强和主动热管理于一体的智能防护装备，展现了SKMP复合材料在防护领域的应用潜力。

  2026年4月22日，相关成果以“Asymmetric Janus Shear Thickening Fabric with Heat Self-Circulating toward Impact Protection and Dynamic Thermal Management”为题，发表于国际著名期刊《Advanced Materials》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生潘雨成，通讯作者为龚兴龙教授和桑敏特任副研究员。该工作得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助与支持。

【非对称剪切增稠织物的设计与表征】

  本研究提出了一种具有非对称Janus结构的超织物，通过将剪切增稠、光热转换与相变储能三种物理机制整合于Kevlar织物中，实现了极端力/热环境下的机械防护与动态热管理。其中，STF的引入增强了纤维网络间的连接与应力传递，从而显著提升织物的抗撕裂与抗冲击能力。同时，通过光热层与相变材料层的协同耦合，该织物能够实现动态热管理，即将光热转换产生的热量部分储存于相变层中，并在低温环境下逐步释放，形成可持续的能量循环。这项研究为可持续的热管理和机械防护提供了一种新的范式。

图1. SKMP复合织物设计工艺与表征

【纤维桥联与摩擦耗能的力学增强协同设计】

  通过单丝拔出实验，研究了STF引入对Kevlar织物的力学性能影响，并探究了不同温度下织物的力学行为响应。研究表明，STF能够有效增强Kevlar的力学性能，同时相变层的引入能够缓解高温下复合织物的力学性能衰减。另外，STF通过增强纤维网络的致密化与桥接作用，抑制了纤维在撕裂测试中的明显滑移。复合织物在撕裂过程中呈现出非连续的锯齿状破坏模式，表现出显著的抗撕裂能力。

图2. SKMP的静态力学行为表征

【多尺度能量耗散模式下的高效冲击防护性能】

  通过静态穿刺、动态落锤穿刺及高速弹道冲击实验，系统评估了SKMP织物的抗冲击性能。结果表明，STF的引入显著提升了纤维间的摩擦耗能与应力传递能力，在局部穿刺载荷下，复合织物表现出更高的峰值穿透力。得益于STF的剪切增稠效应、纤维网络致密化等多尺度能量耗散机制的协同作用，SKMP在高速弹道冲击下展现出更出色的极限穿透速度与比能量吸收能力，且能抵御多次连续冲击而不发生穿透。

图3. SKMP的抗冲击力学行为表征

【MXene与纤维粗糙结构协同下的高效光热转换行为】

  得益于MXene优异的光热转换效果以及纤维粗糙结构对反射的抑制作用，复合织物（SKM）在极低MXene含量下（0.43 wt.%）表现出优异的光热转换性能。在模拟太阳光实验中，随着MXene含量的提升，SKM织物的光热温升效果增强。值得关注的是，在多次循环光热测试中，SKM织物的温度变化保持稳定，表明材料在长期光照条件下未出现不可逆的性能损失。

图4. SKMP的光热性能表征

【光热-相变协同作用下的热缓冲性能表征】

  光热转换过程中，强烈的热量积累通常会导致局部过热，因此通过Janus结构设计构建了相变热缓冲涂层。具体而言，当光热层吸收光能并产生热量时，热能会传递到相变层并储存起来，从而减轻因温度剧烈波动而可能造成的热损伤；反之，当环境温度降低时，储存的热能可以释放出来，从而减缓快速的热量散失。在同样的光照条件下，SKMP在光照下升温速率显著减缓，平衡温度降低，并在多次循环中保持稳定的热响应特性。有限元仿真进一步表明，相变颗粒通过局部吸热延缓了热量快速传递，抑制了温度的剧烈波动。

图5. SKMP的光热-相变性能表征

【非对称剪切增稠织物的智能化应用】

  最后，通过循环弯曲测试验证了SKMP复合织物的出色耐久性，经多次弯曲后涂层未出现明显的脱落或开裂，表明功能层与基体之间具有牢固的结合。进一步将SKMP集成至防护背心和腕带中，在氙灯及自然光照条件下，光热区域与相变区域呈现明显的温度梯度，光热侧温度显著升高，相变侧则维持较低温度，证实了其有效的热管理能力。此外，在模拟剪切破坏测试中，SKMP能够完全保护皮肤免受损伤，而纯Kevlar防护下的模拟皮肤仍出现明显伤口。因此，该复合织物兼具优异的力学性能与动态热调控能力，在极端环境下的个体防护装备领域展现出广阔的应用前景。

图6. SKMP的智能化应用

【小结】

  总体而言，本研究提出了一种非对称剪切增稠Janus织物（SKMP），实现了智能热管理与机械防护性能的协同优化。通过将STF引入Kevlar织物，增强了纤维间摩擦力与桥联效应，显著提升了复合材料的抗穿刺与抗撕裂性能。得益于剪切增稠效应、纤维间摩擦力增强及协同应力传递等多尺度能量耗散机制，SKMP展现出优异的抗冲击能力。同时，通过喷涂MXene纳米片构筑光热层，利用局域表面等离子体共振效应实现高效光热转换；并复合PEG相变封装层，提供热缓冲与储能功能，从而确保极端环境下的热稳态。该力/热双模式防护复合织物在恶劣环境中的个体安全防护和热稳态调节领域具有重要的应用价值。

  原文链接：Pan YC, Sang M*, Wu JP, Zhang ZT, Duan SL, Liu S, Li ZM, Hu Y, Gong XL*. Asymmetric Janus Shear Thickening Fabric with Heat Self-Circulating toward Impact Protection and Dynamic Thermal Managementm[J].

  Advanced Materials, 2026, e22056.

  https://doi.org/10.1002/adma.202522056.