可拉伸材料(如彈性體、水凝膠、有機(jī)凝膠和離子凝膠)在組織修復(fù)、藥物輸送、機(jī)器人、離子電子、生物電子、合成生物學(xué),以及可穿戴設(shè)備中都有廣泛應(yīng)用。當(dāng)這些材料承受負(fù)荷時(shí),必須能抵抗裂紋的增長以防止材料失效,這種性能可以用單調(diào)載荷下的韌性Γ和循環(huán)載荷下的閾值Γth來衡量。下圖為材料的韌性-閾值表,圖中的對角線表示韌性和閾值相同的材料,例如陶瓷,它們很脆但耐疲勞。大多數(shù)材料,如塑料、金屬、彈性體、水凝膠,多少都有些韌性,因此都位于對角線下面,這些材料韌性好但易疲勞。因此這些韌性材料的閾值通常比韌性低一到兩個(gè)數(shù)量級,一個(gè)代表性的例子就是天然橡膠,它的韌性一般超過10000 J/m2,但閾值只有可憐的50 J/m2。

哈佛大學(xué)鎖志剛院士團(tuán)隊(duì):循環(huán)拉伸30000次毫無壓力!給凝膠材料加筋,高度抗疲勞凝膠材料問世

成果介紹

基于以上分析,哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組提出了一種可以同時(shí)提高凝膠材料拉伸性和抗疲勞性的方法。他們將聚二甲基硅氧烷(PDMS)纖維嵌入到更柔軟、可拉伸性更高的聚丙烯酰胺(PAAm)基體材料中,通過稀疏的共價(jià)鍵將兩者交聯(lián)在一起,合成了一種凝膠復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的PDMS纖維和PAAm凝膠的韌性只有365 J/m2和1142 J/m2,但是復(fù)合材料的韌性則高達(dá)4136 J/m2,而且材料循環(huán)30000次后裂紋不再繼續(xù)擴(kuò)展,表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性。研究者認(rèn)為這種方法具有廣泛的適用性,為高性能凝膠材料的開發(fā)打開了一扇大門。

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材料設(shè)計(jì)原理

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圖1. 高拉伸性和耐疲勞材料的設(shè)計(jì)原理。

 

柔軟且可拉伸的纖維具有高模量和低閾值的特點(diǎn),如果基體材料更加柔軟、更加可拉伸,則模量低、閾值高。將兩者通過輕度共價(jià)鍵連接在一起形成復(fù)合材料,在未變形時(shí),纖維均勻分散在基體中(紅色正方形標(biāo)記的為部分基體),用刀片將復(fù)合材料割上一道裂紋,并施加應(yīng)力使其拉伸,基體會發(fā)生很大的剪切形變,紅色的正方形就變形為平行四邊形,而且裂紋變鈍,纖維被高拉伸度,復(fù)合材料中裂紋的發(fā)展就會更加困難,在材料完全失效之前,所有纖維都能均勻分擔(dān)載荷,所以復(fù)合材料具有更好的韌性和抗疲勞性能。

復(fù)合材料的合成及力學(xué)性能測試方法

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圖2.拉伸性好和耐疲勞材料的制備過程及力學(xué)性能測試方法。

為了制備出拉伸性高、抗疲勞性好的復(fù)合材料,研究者以聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體作為纖維,以聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠作為基體。首先以AAM為單體,在光引發(fā)下制備凝膠;然后將Sylgard 184和固化劑(重量比為10:1)混合制備出0.5mm厚的PDMS薄膜,然后將其切為寬度1 mm~2.5 mm的纖維,將纖維排列成骨架,在其上進(jìn)行AAM的光固化凝膠反應(yīng),最終得到了復(fù)合材料。

研究者采用單調(diào)載荷來測試復(fù)合材料的臨界拉伸、剪切模量和韌性,采用循環(huán)載荷來測試復(fù)合材料的疲勞行為,如下圖所示。

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圖3. 復(fù)合材料中裂紋的發(fā)展情況。

為了研究復(fù)合材料中裂紋的發(fā)展情況,研究者采用循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試,拉伸載荷的振幅為1.725,能量釋放速率為1290 J/m2。發(fā)現(xiàn)預(yù)先切割出裂紋的復(fù)合材料在最初幾千次循環(huán)后,裂紋僅擴(kuò)展到了第一根纖維,超過30000個(gè)循環(huán)后裂紋不再繼續(xù)擴(kuò)展。相比之下,復(fù)合材料中PDMS纖維的韌性為只有365 J/m2,水凝膠基體的韌性要高一些,達(dá)到了1142 J/m2,但是復(fù)合材料的韌性則高達(dá)4136 J/m2,表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。

復(fù)合材料抗疲勞性能研究

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圖4. 在不同能量釋放速率的振幅下測試復(fù)合材料失效的循環(huán)次數(shù)。(a)樣品在第一個(gè)循環(huán)中因纖維斷裂而失效,能量釋放速率為4441 J/m2;(b和c)隨著能量釋放速率和振幅的降低,材料失效的循環(huán)次數(shù)增加;(d和e)當(dāng)能量釋放速率的振幅足夠低時(shí),實(shí)驗(yàn)終止時(shí)未觀察到材料失效;(f)復(fù)合材料的G-N曲線。

為了研究材料的抗疲勞性能,研究者進(jìn)行了循環(huán)載荷測試,發(fā)現(xiàn)如果復(fù)合材料中基體比纖維更加柔軟時(shí),纖維斷裂后材料才會失效。當(dāng)樣品的能量釋放速率低于4441 J/m2時(shí),纖維在第一個(gè)循環(huán)中就發(fā)生了斷裂;復(fù)合材料在較小的能量釋放速率和幅度下可以承受更多的循環(huán)載荷;如果能量釋放速率和幅度進(jìn)一步降低,在數(shù)萬次循環(huán)候纖維不會斷裂,復(fù)合材料也不會失效。

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圖5. 當(dāng)基體可拉伸性不高時(shí),復(fù)合材料的疲勞行為。

作為對比,研究者又合成了一種基體水凝膠可拉伸性不高的材料,發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合材料在能量釋放速率為1290 J/m2的載荷下經(jīng)過6414個(gè)循環(huán)后即失效,失效模式為扭結(jié)裂紋失效,在邊界處形成扭結(jié)裂紋和基體破裂。

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圖6. 特征尺寸較小的復(fù)合材料的疲勞行為

研究者增加了纖維的數(shù)量,但保持纖維含量不變(20.3 wt%),以減少復(fù)合材料的特征尺寸。發(fā)現(xiàn)在1290 J/m2的能量釋放速率的振幅下,材料在6432個(gè)循環(huán)后裂紋發(fā)展到第一根纖維,在10317個(gè)循環(huán)后開始出現(xiàn)扭結(jié)裂紋,并隨后向上傳播。

纖維-基體粘附強(qiáng)度對材料力學(xué)性能的影響

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圖7 纖維-基體粘附強(qiáng)度對力學(xué)性能的影響。具有弱和強(qiáng)界面粘附性的水凝膠和復(fù)合材料(a)有缺口樣品和(b)無缺口樣品的應(yīng)力-拉伸曲線,*代表破裂;(c)具有弱和強(qiáng)界面粘附性的水凝膠和復(fù)合材料的韌性。

為了研究纖維和基體粘附性大小對材料力學(xué)性能的影響,研究者合成了兩組復(fù)合材料,其中一組中纖維和水凝膠形成共價(jià)交聯(lián),在另一組中纖維和水凝膠形成非共價(jià)鍵作用。發(fā)現(xiàn)這兩組材料表現(xiàn)出不同的應(yīng)力-拉伸行為,具有強(qiáng)界面粘附性的復(fù)合材料的韌性是弱界面粘附性的四倍,而且當(dāng)纖維和基體的粘附力弱時(shí),復(fù)合材料會由于基體的斷裂而失效。

哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組合成了一種韌性好、耐疲勞的凝膠復(fù)合材料。他們以(PDMS作為纖維,以光固化的丙烯酰胺(AAm)水凝膠作為基體合合成了一種復(fù)合凝膠材料。在循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)中測試了材料的抗疲勞性能,當(dāng)拉伸載荷的振幅為1.725、能量釋放速率為1290 J/m2時(shí),預(yù)先切割出裂紋的復(fù)合材料在最初幾千次循環(huán)后,裂紋僅擴(kuò)展到了第一根纖維,超過30000個(gè)循環(huán)后裂紋不再繼續(xù)擴(kuò)展,表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。雖然PDMS纖維和水凝膠基體的韌性為只有365 J/m2和1142 J/m2,但是經(jīng)過共價(jià)鍵結(jié)合后復(fù)合材料的韌性則高達(dá)4136 J/m2。如果基體水凝膠的可拉伸性不高,這種復(fù)合材料經(jīng)過6414個(gè)循環(huán)后即發(fā)生了扭結(jié)裂紋失效;如果增加纖維密度,材料在10317個(gè)循環(huán)后同樣因?yàn)榕そY(jié)裂紋而失效。而且纖維和基體的粘附強(qiáng)度要高一些,具有強(qiáng)界面粘附性的復(fù)合材料的韌性是弱界面粘附性的四倍。

原文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702119307606

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