Dynamic mechanical properties of novel star-rhombic negative Poisson's ratio honeycomb structure
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摘要: 为进一步提高蜂窝结构的抗冲击性能和能量吸收能力，通过周期性阵列传统星形胞元和星-菱形胞元，本文构建了内凹星形蜂窝结构(Reentrant star-shaped honeycomb structures，RSH)和新型的面内增强星-菱形蜂窝结构(Enhanced star-rhombic honeycomb structures，ESH)。通过实验和有限元模拟，系统地研究了ESH在不同加载方向的面内力学响应和吸能特性。与RSH相比，准静态压缩下ESH的负泊松比特性减弱，但吸能能力显著提高。此外，结合微拓扑胞元的变形特征，揭示了低速冲击时ESH-y的应力-应变响应呈现双平台特征的变形机制，并讨论了结构参数α、t和b对平台应力的影响规律。基于高速冲击下ESH的周期性逐层坍塌变形特征和动量定理，给出了不同加载方向高速平台应力的理论解，理论结果与有限元结果吻合较好。该研究可为创新设计具有更优力学性能的新型负泊松比结构提供参考。
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关键词:
- 星-菱形负泊松比结构 /
- 平台应力 /
- 面内增强 /
- 冲击响应 /
- 能量吸收
Abstract: In order to further improve the crushing resistance and energy-absorbing capacity of the honeycomb structure, by periodically arraying typical star-shaped and star-rhombic cells, the reentrant star-shaped honeycomb structures (RSH) and the novel in-plane enhanced star-rhombic honeycomb structures (ESH) were constructed in this paper. The in-plane mechanical response and energy absorption characteristics of ESH under different loading directions were systematically investigated through experiments and finite element (FE) simulations. Compared with RSH, the negative Poisson's ratio characteristics of ESH under quasi-static compression are weakened, but the energy-absorbing capacities are significantly improved. In addition, by combining the deformation features of micro-topological cells, the deformation mechanism that the stress-strain response of ESH-y exhibits a double-plateau characteristic at low velocities of crushing is revealed, and the influence of the structural parameters α, t, and b on the plateau stresses is discussed. Based on the periodic layer-by-layer collapse deformation features of ESH under high-velocity crushing and the momentum theorem, the theoretical solutions of the high-velocity plateau stress in different loading directions are obtained, and theoretical results are in good agreement with FE results. This study can provide a reference for the innovative design of novel negative Poisson's ratio structures with better mechanical properties. -
膜分离技术具有高能效、易操作、环境友好和占地面积小等优点，近年来在气体分离领域受到广泛关注[1-4]。传统气体分离膜多以聚合物膜为主，然而由于聚合物分离膜固有的选择性和渗透性的制约关系(Trade-off效应)，使其性能很难再提升[5-6]。研究者发现将多孔材料与聚合物基体共混制成混合基质膜，通过结合两种材料的优点，能够同时提升膜的气体渗透性和选择性，从而突破聚合物膜的Trade-off效应[7-8]。因此，制备混合基质膜是改善膜气体分离性能的一种有效方法。
对于混合基质膜，填料和聚合物基体材料的选择尤为重要。聚酰亚胺由于其优异的热稳定性、良好的力学性能以及可加工性，已经在气体分离膜领域发展多年，是混合基质膜聚合物基体候选材料之一[9-11]。对于填料材料的选择，共价有机框架材料(COFs)是一种由有机单元通过共价键构成的多孔材料，由于其具有优异的稳定性，易功能化、永久空隙率以及高比表面积等优点，在气体分离领域展现出不俗的潜力[12]。由于COFs全有机的性质，使其能够均匀地分散在聚合物基质中，减少了混合基质膜中由于界面缺陷产生的非选择性孔[13-14]。然而，大部分COFs的孔径很难做到2 nm以下，相对于气体分子动力学直径(N2：0.36 nm；O2：0.35 nm；CO2：0.33 nm)还是较大，难以实现对气体的高效分离，从而降低了气体选择性[15-16]。因此，需要对COFs的孔径大小调控或引入一些功能性吸附位点进行改善。研究表明，引入氟原子能够有效改善COFs的孔径大小且能够提供与气体相互作用的吸附位点。Alahakoon等[17]通过使用含氟单体制备出两种氟化COFs，将氟化COFs与未氟化的相比，发现氟化COFs具有更大的比表面积、更小且更明确的孔径。Gao等[18]报道了3种具有—H、—Me和—F取代基的同构三维共价有机骨架，对比不含氟的COFs，氟化COFs具有更高的CO2亲和力，对CO2/N2有着更高的IAST选择性。Yang等[19]制备了一种氟化CTF，通过氟原子的强静电作用以及C—F键与CO2的偶极-四极作用，使其具有优异的CO2吸附能力。
基于上述讨论，本文合成出一种具有较小孔径、高比表面积的氟化共价有机框架材料(TpPa-CF3)。随后，以TpPa-CF3为填料，聚酰亚胺(6FDA-ODA)为基体，制备出不同负载量的TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜。表征了其结构和表面、截面的微观形貌，探究了其热性能、力学性能以及疏水性能，最后讨论了混合基质膜的气体渗透性以及在烟道气分离(CO2/N2)和空气分离(O2/N2)上的应用前景。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
4,4-二氨基二苯醚(ODA，98%)、4,4-(六氟异丙烯)二酞酸酐(6FDA，98%+)、2,4,6-三甲酰间苯三酚(Tp，98%)、2-三氟甲基-1,4-苯二胺(Pa-CF3，97%)、1,3,5-三甲基苯(99%+)、1,4-二氧六环(99%)均购自上海阿达玛斯试剂有限公司；乙酸(AR)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF，AR)均购自西陇科学股份有限公司；间甲酚(m-Cresol，99%)、异喹啉(97%)均购自上海阿拉丁试剂有限公司；丙酮(Acetone，AR)，成都市科隆化学品有限公司；工业酒精(95%)，弘昊实验设备有限公司。
1.2 TpPa-CF3的合成
将Tp (63.0 mg，0.30 mmol)、Pa-CF3 (79.0 mg，0.45 mmol)、1,3,5-三甲基苯(1.5 mL)、1,4-二氧六环(1.5 mL)依次加入到Pyrex管(25 mL)中。为使混合物均匀分散，超声处理0.5 h，再加入3 mol/L乙酸溶液(0.5 mL)。随后，用液氮将Pyrex管骤冻抽出空气，再在室温下解冻，此操作循环3次。密闭封管，将Pyrex管在120℃下油浴3天。反应完毕后冷却至室温，过滤收集产物，先用DMF溶液搅拌洗涤3次，再通过索氏提取法进行提纯(提纯溶剂采用丙酮)。随后，收集产物，在真空烘箱中120℃下干燥12 h后，得到橘红色粉末样品TpPa-CF3。
1.3 聚酰亚胺(6FDA-ODA)的合成
在N2氛围下，向装有机械搅拌、冷凝回流的150 mL三口烧瓶内依次加入ODA (2.00 g，9.99 mmol)、间甲酚(28 mL)，待ODA完全溶解后再依次加入6FDA (4.44 g，9.99 mmol)、间甲酚(28 mL)，随后将温度升到50℃待反应物完全溶解后，滴加5~6滴异喹啉后升温至80℃反应3 h，120℃反应3 h，180℃反应3 h，最后200℃反应12 h。反应结束冷却至室温后，将聚酰亚胺溶液缓慢倒入大量工业酒精中拉丝沉淀，过滤收集产物，在真空烘箱中150℃干燥8 h。随后，使用适量DMF重新溶解并进行二次沉淀以除去聚酰亚胺中残留杂质。
1.4 TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的制备
取一定量的TpPa-CF3粉末分散在DMF (3 mL)中，使用细胞粉碎机，在300 W功率下超声0.5 h后再搅拌6 h，保证TpPa-CF3粉末在DMF溶液中分散均匀。同时，称取0.2 g 6FDA-ODA溶解在DMF (2 mL)中，用针式滤头(0.45 μm，尼龙)过滤除去杂质。随后，将TpPa-CF3的分散液滴加到6FDA-ODA溶液中搅拌12 h，确保TpPa-CF3和6FDA-ODA充分混合。最后，将混合溶液缓慢流延到光滑平整的玻璃板(5 cm×5 cm)上，在80℃下蒸发12 h除去溶剂，待冷却至室温后在温水中脱膜，最后在150℃的真空烘箱中干燥12 h以除去残留的溶剂分子。按以上步骤分别制备含量为0wt%、1wt%、3wt%、5wt%、7wt%的TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜。
1.5 表征测试
X射线衍射(XRD)：采用荷兰帕纳科公司的X'Pert Pro型X射线衍射仪对制备的TpPa-CF3粉末与薄膜进行晶型及结构表征，扫描范围在3°~40°，扫描速度为2°/min。
傅里叶变换红外光谱(FTIR)：采用美国尼高力公司的Nicolette 6700-NXR型傅里叶变换红外光谱仪分析TpPa-CF3和薄膜的化学键组成及官能团。对于粉末样品通过溴化钾压片的方式测试，对于薄膜样品通过制成厚度约为20 μm的薄膜直接测试。扫描范围为400~
4000 cm−1，扫描次数64次以上。固态核磁共振(ssNMR)：通过德国布鲁克公司的Avance Neo 400 WB型固体核磁共振波谱仪测试TpPa-CF3的13C NMR，分析其化学键连接方式。所需样品压实后的体积应多于0.5 cm3。
X射线光电子能谱(XPS)：采用美国热电公司的Escalab 250 Xi型X射线光电子能谱仪分析TpPa-CF3的化学元素及化学态。采用粉末压片的方式制样。
扫描电子显微镜(SEM)：通过日本日立公司的SU 4800型扫描电子显微镜表征TpPa-CF3和薄膜表面、截面的微观形貌。对于粉末样品，用牙签将少量样品涂在导电胶上制样；对于薄膜样品，膜表面直接粘在导电胶上，膜断面通过液氮脆断选取平整截面制样。全部样品在测试前通过喷金处理提高样品导电性。
N2吸附-脱附测试：通过美国康塔公司的Autosorb IQ型比表面及孔隙度分析仪器表征TpPa-CF3的比表面积及孔径分布。采用BET (Brunauer-Emmett-Teller)法计算比表面积，密度泛函理论(DFT)计算孔径分布。
热重分析(TGA)：通过德国耐驰公司的STA 449C型综合热分析仪测试TpPa-CF3和薄膜的热稳定性。在N2氛围下测试，升温速率为10℃/min，测试范围在50~800℃。
差示扫描量热分析(DSC)：通过德国耐驰公司的DSC 214型差示扫描量热仪测试薄膜的玻璃化转变温度，在N2氛围下以10℃/min的速率升温，测试范围在30~350℃，所有结果均采用消除热历史后的二次升温曲线。
力学性能：通过美国美特斯公司的CMT2103型万能试验机来表征薄膜的力学性能。薄膜样品尺寸为50 mm×10 mm，拉伸载荷为5 kN，拉伸速率为2 mm/min，标距为20 mm。
水接触角测试：通过中国承德优特仪器有限公司JY-PHb型接触角分析仪测定薄膜的亲疏水性能。薄膜样品尺寸为20 mm×20 mm，测试次数至少3次。
气体渗透性测试：通过中国济南兰光公司的VAC-V1型气体渗透仪测试薄膜的气体渗透性能。测试方法为恒体积变压法，测试气体为高纯气体(CO2、O2、N2)，测试条件为4 bar，35℃。测试过程如下，将厚度均匀的待测薄膜装入膜腔中，测试前将上下腔气压抽至20 Pa以下，随后下腔关闭，上腔通入待测纯气体形成压差。压差推动气体自上腔(高压侧)向下腔(低压侧)渗透，通过系统计算得到膜的气体渗透系数P。
2. 结果与讨论
2.1 TpPa-CF3的表征
通过粉末X射线衍射(PXRD)对合成的TpPa-CF3的晶体结构进行分析，图1(a)中2θ=4.79°处出现的强峰对应于COF的(100)晶面，其他峰也出现在2θ=7.81°、26.14°处，分别对应于(200)、(001)晶面，其中(001)晶面也是其π-π堆叠峰，通过布拉格方程计算得出其堆叠层间距为0.33 nm。将测试结果与模拟的晶体模型的衍射峰进行对比，结果表明二者衍射峰的位置与强度均匹配良好。TpPa-CF3在Pawley精修后得到的晶胞参数为a=
2.290351 nm，b=2.236760 nm，c=0.423813 nm，α=89.56415 ，β=89.73479 ，γ=120.51471 。实验结果与精修后的PXRD之间的残差值较小，Rwp=1.24%，Rp=0.91%。以上结果初步说明成功合成出了目标晶体结构，且具有良好的结晶性。为进一步说明TpPa-CF3成功合成，通过FTIR对TpPa-CF3以及其构筑单元测试，从图1(b)中可以看到，构筑单元2,4,6-三甲酰间苯三酚(Tp)在
2894 cm−1处醛基的CH=O特征峰和构筑单元2-三氟甲基-1,4-苯二胺(Pa-CF3)在3318 cm−1和3210 cm−1处的—NH2特征峰在产物TpPa-CF3中消失，表明醛胺缩合反应完全。在1282 cm−1处的C—N的特征吸收峰表明烯醇-酮异构的发生。因为框架是以酮的形式存在，结构中有强的分子内氢键及共轭作用，所以在1592 cm−1处的C=C的特征峰和1610 cm−1处的C=O特征峰合并呈肩状[20]。在1128 cm−1处出现了C—F的特征峰。13C固体NMR分析如图1(c)所示，图中显示化学位移在184.2×10−6和108.1×10−6处有两个较明显的信号峰，分别对应于烯醇-酮异构反应所形成的C=O键和C—N键上的C原子，123.6×10−6处归属于C—F上的C原子。其余在119.0×10−6、134.1×10−6和146.5×10−6处的信号峰则归属于芳香单元上的C原子。
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图 1 TpPa-CF3的PXRD精修谱图(a)、FTIR谱图(b)、13C固体核磁谱图(c)Figure 1. PXRD refined spectra (a), FTIR spectra (b), 13C solid-state NMR spectrum (c) of TpPa-CF3“*”标记的峰为测试仪器产生的旋转边带峰FTIR和固体核磁分析结果证实TpPa-CF3的成功合成且以稳定的β-酮胺形式存在。
通过XPS测量TpPa-CF3的全谱和各个元素的光谱，由图2(a)的全谱可知TpPa-CF3是由C、N、O、F 4种元素组成的。图2(b)是C1s的高分辨率XPS光谱，其能够被卷积为4个峰，分别对应于TpPa-CF3中的C=C/C—C(284.8 eV)、C—N(286.2 eV)、C=O(288.9 eV)和C—F(292.9 eV)键，N1s的高分辨率XPS如图2(c)所示，其被卷积为2个峰，分别归属于N—C(400.2 eV)和N—H(403.9 eV)键，F1s的高分辨率XPS如图2(d)所示，其只有一个卷积峰归属于C—F(688.3 eV)。所有以上结果说明TpPa-CF3形成目标结构，由C1s和N1s证明该结构发生了烯醇-酮异构。
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图 2 TpPa-CF3的XPS图谱：(a)全谱；(b) C1s；(c) N1s；(d) F1sFigure 2. XPS spectra of TpPa-CF3: (a) Survey spectrum; (b) C1s; (c) N1s; (d) F1s通过扫描电镜(SEM)观察TpPa-CF3的微观形貌。如图3(a)所示，TpPa-CF3具有均匀的微观形貌，呈现为“米粒”形颗粒堆积形成的团簇，每一颗“米粒”的尺寸在(100±30) nm。
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图 3 TpPa-CF3的微观形貌(a)、N2吸附-脱附曲线(b)、孔径分布图(c)、TGA和DTG曲线(d)Figure 3. Microscopic morphology (a), N2 adsorption-desorption curves (b), pore size distribution (c), TGA and DTG curves (d) of TpPa-CF3dV/(dlogD)—; STP—为了解TpPa-CF3的多孔性，对其进行N2吸附-脱附测试。图3(b)中N2吸脱附曲线呈现出I型曲线特征，TpPa-CF3在相对压力较低的区域(p/p0＜0.1)，N2的吸附量快速增加，说明材料中存在丰富的微孔结构。通过计算分析得出TpPa-CF3具有较大的比表面积(791.83 m2·g−1)，图3(c)显示TpPa-CF3具有较小的孔径(1.18 nm)。这归因于TpPa-CF3中氟原子的高电负性增强了框架中芳香环之间的相互作用力，这种相互作用力有助于COF形成较大的比表面积以及较小的孔径[17]。
通过热重分析TpPa-CF3的热性能。热重曲线如图3(d)所示，从图中看到热损失分为两个阶段，大约在400℃之前的损失可能为残留在孔道里的高沸点溶剂(DMF)的挥发。400℃后出现明显的质量损失，从DTG曲线上可以看到在416℃质量损失的速度最快，这主要归因于TpPa-CF3框架的分解。以上结果可以看出TpPa-CF3具有较好的热稳定性。
2.2 TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的表征
通过XRD对膜结构表征，评价了填料对聚合物链排列的影响。从图4(a)中可以看到所有曲线在2θ=15°左右均出现典型的聚合物宽峰。通过布拉格方程计算，得到膜的分子链间距。纯6FDA-ODA膜的分子链间距为0.574 nm，随着填料TpPa-CF3负载量的增加，链间距呈现先增大后下降的趋势，7%TpPa-CF3/6FDA-ODA膜的链间距最小(0.566 nm)。分子链间距先增大主要是由于小负载量的掺入破坏了分子链的堆积，随着负载量的增大，填料与聚合物基质的相互作用逐渐增强，限制了分子链的迁移率，链间距减小有利于提高气体的选择性。同时，在TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜中没有观察到TpPa-CF3粉末的特征峰，这主要是由于在超声搅拌过程中COF填料的部分剥落[21]。
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图 4 6FDA-ODA及TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的XRD (a)和FTIR图谱(b)Figure 4. XRD patterns (a) and FTIR spectra (b) of 6FDA-ODA and TpPa-CF3/6FDA-ODA mixed matrix membranes混合基质膜的FTIR图谱如图4(b)所示，所有膜都表现出6FDA-ODA的特征峰，包括C=O的对称(
1783 cm−1)和不对称拉伸(1733 cm−1)、C—N的拉伸振动(1378 cm−1)、C—O—C的拉伸振动(1157 cm−1)、C—F键的吸收峰(1110 cm−1)，以及酰亚胺环的弯曲振动(721 cm−1)，值得注意的是在1597 cm−1处的特征峰，随着填料的增加而增强，这主要归因于TpPa-CF3和6FDA-ODA中芳香环上的C=C的吸收峰重叠[22]。以上结果说明聚酰亚胺基体和填料之间具有良好的相容性，填料的加入并没有破坏聚酰亚胺的结构。为分析TpPa-CF3的加入对混合基质膜热稳定性的影响，对6FDA-ODA及TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜进行了热重测试。如图5(a)所示，混合基质膜的分解分为两个阶段，第一阶段是400℃左右TpPa-CF3框架的分解，第二阶段是500℃左右6FDA-ODA基体膜的分解，填料的加入对膜的热稳定性影响不大。所有混合基质膜都表现出高达500℃的良好热稳定性，远高于工业中膜的操作温度，表明这些膜具有良好的适用性。DSC曲线用于分析膜的玻璃化转变温度(Tg)。如图5(b)所示，6FDA-ODA膜的Tg出现在297.5℃。随着TpPa-CF3负载量的增加，TpPa-CF3/6FDA-ODA膜的Tg从297.5℃逐渐增加到302.1℃，说明TpPa-CF3与6FDA-ODA之间具有良好的界面相互作用，这有利于提升混合基质膜的气体选择性[23]。
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图 5 6FDA-ODA和TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的TGA曲线(a)和DSC曲线(b)Figure 5. TGA curves (a) and DSC curves (b) of 6FDA-ODA and TpPa-CF3/6FDA-ODA mixed matrix membranes膜表面、截面的扫描电镜表征能够反映出填料在膜内的分散情况。如图6(a1)~6(e1)所示，与表面光滑平整的纯膜相比，混合基质膜的表面随着填料负载量的增加逐渐变得粗糙，在负载量达到7wt%时可以看到膜表面出现不平整及大颗粒团聚的现象。图6(a2)~6(e2)为纯膜及其混合基质膜的截面扫描电镜图，纯膜的截面表现出均匀、致密的微观结构，在1wt%~5wt%混合基质膜的截面图中能够观察到随着负载量的增加其截面形貌逐渐变粗糙，同时在膜内能够观察到TpPa-CF3颗粒很好地被聚合物包裹且分散均匀。当填料负载量达到7wt%时膜内出现填料与聚合物基质相分离的现象，说明此时负载量已经达到聚合物基质所能承受的上限，5wt%为其最优负载量。
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图 6 膜表面((a1)~(e1))和膜截面((a2)~(e2))的SEM图像((a)~(e)分别代表不同TpPa-CF3的负载量：0wt%、1wt%、3wt%、5wt%、7wt%)Figure 6. SEM images of membrane surface ((a1)-(e1)) and cross-section ((a2)-(e2)) ((a)-(e) represent different TpPa-CF3 loadings: 0wt%, 1wt%, 3wt%, 5wt%, 7wt%, respectively)通过接触角测试仪分析纯膜及其混合基质膜的水接触角(θw)。如图7(a)和表1所示，6FDA-ODA膜的水接触角为79.9°，TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的水接触角为81.4°~89.1°，呈现逐渐增大的趋势。这主要归因于TpPa-CF3框架中含有—CF3疏水基团，因此随着TpPa-CF3含量的增加相应负载量的混合基质膜水接触角也逐渐增加。提升膜的疏水性能有助于阻止水汽进入，提升其气体传输性能。
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图 7 不同负载量下TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的接触角(a)和应力-应变曲线(b)Figure 7. Contact angle (a) and stress-strain curves (b) of TpPa-CF3/6FDA-ODA mixed matrix membranes at different loadings表 1 不同负载量下TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的力学性能Table 1. Mechanical properties of TpPa-CF3/6FDA-ODA mixed matrix membranes at different loadingsTpPa-CF3 loadings/wt% Tensile strength/MPa Elongation at break/% Young's modulus/GPa θw/(°) 0 74.1 10.1 1.59 79.9 1 79.6 9.7 1.63 81.4 3 82.9 8.6 1.70 83.1 5 93.0 7.8 1.82 84.1 7 84.5 7.3 1.76 89.1 Note: θw—Water contact angle. 对混合基质膜进行拉伸实验以此来检验其力学性能。测试结果如图7(b)和表1所示。从表中可以看出，TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的抗拉强度和杨氏模量随着TpPa-CF3负载量的增加呈现出先增加后下降的趋势，而断裂伸长率呈现逐渐下降的趋势。这主要归因于，在混合基质膜中TpPa-CF3与6FDA-ODA之间较好的相互作用力使得填料与聚合物之间具有良好的界面相容性，增强了膜的刚性。然而，当负载量达到7wt%时，抗拉强度和杨氏模量略微下降，这主要是过量的TpPa-CF3颗粒之间发生团聚，使得界面出现缺陷导致应力集中，降低了膜的力学性能[24]。
利用3种纯气体(CO2、O2、N2)渗透测试来评估不同负载量下TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的渗透性及CO2/N2和O2/N2的理想选择性。结果如表2所示，每一种膜气体渗透系数的大小均与气体分子动力学直径呈反比，即膜的3种气体渗透系数大小排列为P(CO2)>P(O2)>P(N2)，3种气体分子动力学直径大小排列为N2(0.36 nm)>O2(0.35 nm)>CO2(0.33 nm)。同6FDA-ODA膜相比所有混合基质膜的气体渗透性都有所提升。由图8(a)中可得，随着TpPa-CF3含量的增加，膜的气体渗透性呈现出先增大后下降的趋势，其中5%TpPa-CF3/6FDA-ODA膜气体渗透性能最佳，P(CO2)提升了149%，P(O2)提升了138%，P(N2)提升了98%。这主要归因于TpPa-CF3的高孔隙率提高了TpPa-CF3/6FDA-ODA膜的比表面积及固有孔隙率，为气体传输提供了快速通道。TpPa-CF3负载量到7wt%时，气体的渗透性明显下降，但仍然比6FDA-ODA膜高。这主要是由于负载量过大，造成TpPa-CF3在膜内团聚堵塞了气体传输的孔道。
表 2 6FDA-ODA及TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的气体渗透系数P和理想选择性Table 2. Gas permeability coefficient P and ideal selectivity of 6FDA-ODA and TpPa-CF3/6FDA-ODA mixed matrix membranesMembrane Permeability/Barrer Ideal selectivity α CO2 O2 N2 α(CO2/N2) α(O2/N2) 6FDA-ODA 12.47 2.55 0.64 19.5 4.0 1%TpPa-CF3/6FDA-ODA 16.91 3.76 0.98 17.2 3.8 3%TpPa-CF3/6FDA-ODA 22.77 4.43 1.03 22.0 4.3 5%TpPa-CF3/6FDA-ODA 31.08 6.08 1.27 24.5 4.8 7%TpPa-CF3/6FDA-ODA 18.62 4.16 1.11 16.8 3.8 Notes: 1 Barrer=10−10 cm3(STP)·cm·cm−2·s−1·cmHg−1; Ideal selectivity α=P(A)/P(B), A and B are two different pure gases. ![]()
图 8 不同负载量下TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的气体渗透性(a)、气体选择性(b)、72 h连续渗透性测试(c)Figure 8. Gas permeability (a), gas selectivity (b), 72 h continuous permeability performance test (c) of TpPa-CF3/6FDA-ODA mixed matrix membranes at different loadingsTpPa-CF3/6FDA-ODA膜的气体选择性变化趋势和气体渗透性变化趋势不同，如图8(b)所示，CO2/N2和O2/N2均呈现出先下降后上升再下降的趋势，CO2/N2及O2/N2的理想选择性范围分别在16.8~24.4和3.8~4.8。其中，当TpPa-CF3负载量为5wt%时，混合基质膜的CO2/N2和O2/N2选择性最好，分别是6FDA-ODA膜的125%和119%。理想选择性的提高主要归因于两个方面：一个方面是CO2和O2的分子动力学直径要小于N2的分子动力学直径，从而CO2和O2分子倾向于优先通过。另一个方面，TpPa-CF3中富含大量对CO2具有亲和力的N、O和F等电负性原子，同时框架内还存在能与CO2发生偶极-四极相互作用的强极性C—F键，因此CO2/N2选择性相较于O2/N2的提升更明显[25]。然而，当负载量到7wt%时，混合基质膜的CO2/N2和O2/N2选择性大幅下降，略低于6FDA-ODA膜，这主要归因于当TpPa-CF3的负载量增加一定程度时，其在膜内发生团聚，并和聚合物基质产生部分相分离，产生一些非选择的孔，从而造成CO2/N2和O2/N2理想选择性的大幅下降。
对TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜进行72 h的连续气体渗透性测试，以验证膜的稳定性。如图8(c)所示，该膜在72 h的运行试验中P(CO2)下降了18%，CO2/N2的选择性下降了16%，总体表现出了良好的分离稳定性。
为了评估混合基质膜的气体分离性能，图9显示了不同负载量的TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜的气体分离性能与Robeson上限的对比。当负载量为5wt%时，其气体分离性能更靠近Robeson上限，气体的渗透性与选择性同步提升。说明适量的引入TpPa-CF3能够改善聚合物膜的气体分离性能。此外，表3显示了文献[26-30]中报道的混合基质膜气体分离性能与本工作的对比，TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜显示出适中的气体渗透性以及适中的气体选择性，说明TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜还有进一步提升的潜力。
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图 9 不同负载量的TpPa-CF3/6FDA-ODA混合基质膜CO2/N2 (a)和O2/N2 (b)的Robeson上限图Figure 9. Robeson upper bound plots of TpPa-CF3/6FDA-ODA mixed matrix membranes with different loadings CO2/N2 (a) and O2/N2 (b)表 3 文献中报道的混合基质膜气体分离性能与本工作的对比Table 3. Comparison of gas separation performance of mixed matrix membranes reported in the literature with the present workMembrane type P(CO2)/Barrer P(O2)/Barrer α(CO2/N2) α(O2/N2) Ref. TpPa-1-nc/Pebax 21 — 72 — [26] COFp-PVAm 270 — 86 — [27] TpBD@PBI-BuI 14.8 — 23 — [28] ZIF-7-I/(BPDA/6FDA-ODA) — 2.9 — 0.19 [29] PBI-PI-based carbon 293.5 93.1 8.3 2.6 [30] 5%TpPa-CF3/6FDA-ODA 31.08 6.08 24.4 4.8 This work Notes: TpPa-1-nc—; COFp—; TpBD—; BPDA—; Pebax—Poly(ether-block-amide); PVAm—Polyvinylamine; PBI-BuI—Tert-butylpolybenzimidazole; ZIF-7-I—Wide-pore ZIF-7; PBI—Polybenzimidazoles; PI—Polyimide. 3. 结 论
(1)采用溶剂热法合成了一种氟化共价有机框架材料(TpPa-CF3)，其具有高比表面积(791.83 m2·g−1)，较小且均一的孔径(1.18 nm)以及良好的热稳定性。
(2)采用共混法成功制备TpPa-CF3/聚酰亚胺(6FDA-ODA)混合基质膜。通过表征得出，所得膜具有良好的界面相容性以及较高的热稳定性(热分解温度在500℃左右)。水接触角的范围在81.4°~89.1°，且膜具有良好的力学性能，有利于膜在分离过程中的稳定性。
(3) TpPa-CF3的掺入提高了混合基质膜的气体渗透性，随着膜中TpPa-CF3负载量的增加，混合基质膜的气体渗透性呈现先减小后增大再减小的趋势。其中，5%TpPa-CF3/6FDA-ODA膜的气体分离性能最好，其CO2和O2的渗透性能分别提高了149%和138%，CO2/N2和O2/N2的分离性能分别是6FDA-ODA基体膜的125%和119%。
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图 1 内凹星形和增强星-菱形蜂窝结构的设计策略
Figure 1. Design strategies for re-entrant star-shaped honeycomb structures (RSH) and enhanced star-rhombic honeycomb structures (ESH)
H—Height of specimen; W—Width of specimen; d—Out-of-plane depth; α—Reentrant angle; b—Cell length; t—Wall thickness; l1, l2—Length of cell wall; w—Width of unit cell; h—Height of unit cell
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图 2 (a)实验装置；(b)有限元模型
Figure 2. (a) Experimental setup; (b) Finite element model
v—Crushing velocity; xLi, xRi—Displacement reference point
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图 4 RSH的准静态力学响应与模拟结果比较：(a) y-方向变形历程；(b)应力-应变曲线；(c) x-方向变形历程；(d)泊松比
Figure 4. Comparison of quasi-static mechanical response and simulation results for RSH: (a) Deformation modes in y-direction; (b) Stress-strain curves; (c) Deformation modes in x-direction; (d) Poisson's ratio
S—Stress
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图 5 ESH的准静态力学响应与模拟结果比较：(a) y -方向变形历程；(b)应力-应变曲线；(c) x -方向变形历程；(d)泊松比
Figure 5. Comparison of quasi-static mechanical response and simulation results for ESH: (a) Deformation modes in y-direction; (b) Stress-strain curves; (c) Deformation modes in x-direction; (d) Poisson's ratio
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图 6 ESH和RSH的平台应力、吸收的总能量EA与比能量吸收ESEA
Figure 6. Plateau stress, energy absorption EA and specific energy absorption ESEA of ESH and RSH
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图 8 ESH的应力-应变响应和定量评估
Figure 8. Stress-strain response and quantitative evaluation of ESH
Δσ—Stress fluctuation; εd—Densification strain
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图 9 低速冲击下ESH-y的变形机制
Figure 9. Deformation mechanism of ESH-y under low-velocity crushing
σp1—The first plateau stress; σp2—The second plateau stress; w0—Initial width of representative cell; h0—Initial height of representative cell
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图 10 内凹角度α、胞壁厚度t以及胞元长度b对ESH平台应力的影响
Figure 10. Effect of α, t and b on plateau stresses of ESH
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图 11 高速冲击下ESH-y的变形机制
Figure 11. Deformation mechanism of ESH-y under high-velocity crushing
σ1—Top uniform stress; σ2—Bottom uniform stress; hf—Final height of representative cell
表 1 实验试样的几何参数
Table 1 Geometric parameters of experimental specimens
RSH-y RSH-x ESH-y ESH-x α/(°) 20 20 20 20 t/mm 1 1 1 1 b/mm 20 20 20 20 W/mm 85.89 80.53 85.58 80.34 H/mm 80.47 85.77 80.44 85.60 d/mm 15.19 15.31 15.48 15.47 m/g 21.75 22.05 31.65 31.70 ˉρ 0.17 0.17 0.24 0.24 Notes: m—Mass of specimen; ˉρ—Relative density. 
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目 的：由周期性微拓扑胞元组成的负泊松比结构，通常表现出高比强度/刚度、降噪减震、抗冲击、能量耗散等特殊性能，被广泛应用于航空航天、舰船交通、冲击防护、医疗器械等工程领域。其抗冲击性和能量耗散特性很大程度上取决于基体材料和微拓扑特征。为进一步提高抗冲击和吸能特性，采取周期性阵列传统星形胞元和内嵌加强肋的星-菱形胞元的策略，构建了两种新型的负泊松比结构，即内凹星形蜂窝结构(Reentrant star-shaped honeycomb structures, RSH)和面内增强的星-菱形蜂窝结构(Enhanced star-rhombic honeycomb structures, ESH)。方 法：采用熔融沉积成型技术分别制备了RSH和ESH的实验试样，选择高韧性的PLA作为基材以验证有限元模型的可靠性。通过电子万能试验机(LD26.205，200 kN)进行准静态实验，两种试样分别按照和加载方向放置在固定底座中央，上压板以2mm/min的恒定速度加载，由高清数码相机记录整个实验过程。考虑到铝合金对应变率的不敏感性，在有限元模拟过程中将其作为基体材料，然后采用有限元模拟和理论分析相结合的方法，进一步地研究了ESH的动态响应。结 果：准静态实验结果表明，与RSH相比，ESH在和加载方向都具有较强的抗压缩性能和能量吸收能力。原因在于传统星形胞元嵌入菱形加强肋后，胞元中增加了具有变形稳定性的微三角形，将以胞壁旋转变形为主导的变形模式转变为以胞壁塑性弯曲坍塌为主导的变形模式，平台应力和能量吸收能力提高。在此基础上，进一步通过有限元模拟和理论分析，对比和讨论了ESH受到不同速度冲击时的面内变形模式和动力学特性。结果表明，沿方向低速冲击时ESH发生整体变形，产生了抗压强度不同的过渡构型，应力-应变曲线呈现双平台特征。随着冲击速度增加，ESH的变形模式从整体变形逐渐过渡到局部变形。在高速冲击下，ESH胞元在不同加载方向上均周期性地逐层压溃，其应力-应变曲线有着几乎对应胞元层数的振荡。相比之下，ESH在加载方向表现出更好的抗冲击性能。结 论：(1) 准静态压缩下，RSH和ESH在加载方向都表现出了负泊松比特性。与RSH相比，相同壁厚和宏观尺寸的ESH表现出了增强的能量吸收。在加载方向，ESH的平台应力和SEA分别比RSH提升约3.53倍和1.96倍，在加载方向，ESH的平台应力和SEA比RSH提升约为3.94倍和1.58倍。(2) 不同速度冲击下，ESH的初始峰值应力和应力波动随着速度增加而增大，并且ESH在加载方向的初始峰值应力和应力波动始终小于加载方向。(3) 在准静态及低速冲击下，加载方向的ESH具有两个平台阶段，产生原因分别对应于其微拓扑胞元的旋转变形和胞壁的塑性坍塌。随着冲击速度增大，两个平台阶段逐渐合并。此外，根据周期性变形特征和动量定理建立的理论公式，较好地预测了不同加载方向ESH的高速平台应力。
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由周期性微拓扑胞元组成的负泊松比结构，通常表现出高比强度/刚度、降噪减震、抗冲击、能量耗散等特殊性能，被广泛应用于航空航天、舰船交通、冲击防护等工程领域。其抗冲击性和能量耗散特性很大程度上取决于其基体材料和微拓扑特征。
为进一步提高抗冲击和吸能特性，采取周期性阵列传统星形胞元和内嵌加强肋的星-菱形胞元的策略，构建了两种新型的负泊松比结构，即内凹星形蜂窝结构(Reentrant star-shaped honeycomb structures, RSH)和面内增强的星-菱形蜂窝结构(Enhanced star-rhombic honeycomb structures, ESH)。通过准静态实验，比较了ESH和RSH在x和y加载方向的准静态响应。结果表明，与RSH相比，ESH具有较强的抗压缩性能和能量吸收能力。通过有限元模拟和理论分析，对比和讨论了ESH受到不同速度冲击时的面内变形模式和力学特性。考虑低速冲击时代表性胞元的变形特征，还阐明了ESH-y的应力应变曲线呈现出双平台特征的变形机制。最后，基于高速冲击时的周期性变形特征，建立了不同加载方向上ESH平台应力的理论模型，预测结果与模拟结果吻合较好。
本研究可为负泊松比蜂窝结构动力学性能的多目标优化设计提供参考。
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