纖維增強軟復(fù)合材料由于其諸多優(yōu)異性能在工業(yè)中有非常廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的纖維增強軟復(fù)合材料通常由軟硬兩種組分經(jīng)過層壓制成，軟相一般為橡膠等彈性體，硬相一般為纖維織物。這類軟/硬結(jié)合能夠使得復(fù)合材料在拉伸時表現(xiàn)出優(yōu)于金屬的高比強度，而在彎曲時又具有良好的柔韌性。盡管目前工業(yè)上的軟復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但這類材料有一個通?。狠^弱的抗撕裂性。即一旦出現(xiàn)裂紋，材料性能將會大幅度下降。因此，如果能提高傳統(tǒng)纖維增強軟復(fù)合材料的抗撕裂性，將大幅度提高材料的使用壽命，降低工業(yè)成本。
材料的抗撕裂性，或者說韌性（toughness），一般由斷裂能（Г）來表征。這一材料屬性通常受兩個參數(shù)影響：
1）能量耗散區(qū)域的尺寸大?。╨T）；
2）耗散區(qū)域內(nèi)的能量耗散密度（W）。
這三者之間存在Г=W·lT的關(guān)系。因此，若要提高材料的抗撕裂性，則需要考慮同時提高lT和W 。理論上來說， lT與復(fù)合材料的纖維/基體模量比成正比關(guān)系，W則依賴于纖維和基體的能量耗散能力。
基于以上理論，北海道大學(xué)龔劍萍教授團隊使用一種兼具粘性（adhesive）,低模量(soft)，高韌性（tough）的新型粘彈性體（viscoelastomer）與高強度高模量纖維織物結(jié)合，成功制備出斷裂能高達2500 kJ m-2的纖維增強軟復(fù)合材料，遠優(yōu)于目前工業(yè)上的任何高韌性材料。同時該軟復(fù)合材料還具有高強度，低密度，有望在對安全性要求極高的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 1907180)上。論文的第一作者為北海道大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生崔為，通訊作者為北海道大學(xué)龔劍萍教授。
設(shè)計策略及基體選擇：
為了同時優(yōu)化W和lT兩項參數(shù)，必須在滿足界面不破壞的情況下，最大限度地提高纖維/基體模量比以及兩種組分的韌性（圖1a）。基體的選擇便變得尤為重要。傳統(tǒng)的橡膠等基體能夠賦予材料較高的模量比，也具有較高的韌性，但界面脫粘往往導(dǎo)致復(fù)合材料還未達到W和lT的理論值便已損壞，因此最終的斷裂能較低（101-102 kJ m-2）。此工作選用的粘彈性體（圖1b）可直接由液態(tài)單體聚合而成，在聚合前可以充分浸潤纖維束，從而在聚合后同時形成互鎖（interlocking）及粘接（interfacial bonding）結(jié)構(gòu)。更重要的是，該基體兼具粘性（adhesive）,低模量(soft)，高韌性（tough） （圖1c） ，第一種性能保證了受力過程中的界面完整性（圖1d, e） ，使得纖維/基體之間有極好的力學(xué)傳遞，第二種性質(zhì)使得復(fù)合材料具有高纖維/基體模量比，從而具有很高的lT ，后一種性質(zhì)賦予復(fù)合材料很高的W，最終賦予復(fù)合材料極高的斷裂能。
超強性能：
新型纖維增強軟復(fù)合材料同傳統(tǒng)軟復(fù)合材料一樣具有良好的柔韌性（圖2a）,但卻表現(xiàn)出更加優(yōu)越的抗撕裂性能（圖2b）。單軸拉伸測試表明該復(fù)合材料相比于單獨的纖維織物或基體有更高的拉伸強度（圖2c），撕裂測試則表明該復(fù)合材料的斷裂能比單獨的纖維織物或基體高出了三個數(shù)量級（圖2d）。
超強韌性要素一：高纖維/基體模量比導(dǎo)致的超大的lT
通過選用兩種相同化學(xué)組分但不同單體摩爾比的基體，與同一種纖維織物結(jié)合，可以對軟復(fù)合材料的纖維/基體模量比進行調(diào)控，從而驗證模量比與lT之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在較大尺寸下，具有高模量比的軟復(fù)合材料能夠達到更高的斷裂能（圖3a）。寬度依賴性測試則表明，具有高模量比的軟復(fù)合材料具有更大的lT實驗值（由w2進行表示，圖3b）。在此工作中，纖維/基體模量比高達105 。對多種不同纖維/基體組成，不同測試速度的軟復(fù)合材料測試表明，其lT實驗值與纖維/基體模量比的1/2次方成正比（圖3c）。該關(guān)系僅在纖維/基體界面不破壞的條件下成立（圖3d）。
超強韌性要素二：高韌性纖維及基體導(dǎo)致的超大W
在闡明決定lT的決定因素后，作者發(fā)現(xiàn)，該工作中的纖維增強軟復(fù)合材料，其W值由兩種組分（纖維及粘彈性體）的體積平均能量耗散密度加權(quán)值決定（圖4a）。在此工作中，兩種組分的能量耗散密度達到107J m-3.
與傳統(tǒng)強韌工業(yè)材料的對比
由于此纖維復(fù)合材料兼具高lT（達到厘米級）和高W，其斷裂能遠高于現(xiàn)有工業(yè)材料（圖4b） 。將此工作中的材料與工業(yè)上常見的多種材料進行對比，可以發(fā)現(xiàn)其兼具了高強度，高模量，高韌性，低密度的優(yōu)異性能（圖4b,c,d,e,f），這是現(xiàn)有工業(yè)材料難以達到的。
這份工作從制備纖維增強復(fù)合材料的基本理論出發(fā)，挑選出了最理想的纖維/基體組合，成功開發(fā)出兼具多項優(yōu)異性能的新型軟復(fù)合材料，為超強超韌材料的制備提供新的指導(dǎo)思路。
全文鏈接：
