哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的科学家们提高了颗粒增强橡胶的疲劳阈值，它们开发出了一种新的多尺度方法，使这种材料能够承受高负荷，并在反复使用中抵御裂纹增长。这种方法不仅能延长轮胎等橡胶制品的使用寿命，还能减少橡胶颗粒在使用过程中产生的污染。这项研究发表在《自然》杂志上。
改进微粒增强橡胶
近期，哈佛大学锁志刚院士以及Yakov Kutsovsky教授团队通过多尺度应力分散来放大颗粒增强橡胶的疲劳阈值。合成了一种橡胶，其中高度缠结的长聚合物与刚性颗粒牢固粘合。在裂纹尖端，应力在两个长度尺度上分散：首先通过聚合物，然后通过颗粒。这种橡胶的疲劳阈值约为 1000 J m−2 。由这种橡胶制成的安装座和夹具可承受高负载，并能在重复操作中防止裂纹扩展。
这种材料兼具高模量（刚度）和高疲劳阈值，为材料设计提供了更多选择。这种材料是通过在橡胶基体中加入二氧化硅纳米颗粒和长聚合物链而制成的。这两种成分的结合使这种材料能够承受反复的加载和变形，而不会出现明显的裂纹增长或失效。这项创新有望应用于软机器人和抓手设计等领域，因为在这些领域中，材料需要承受大的重复位移载荷。
这是一种由交联聚合物链网络和渗流刚性颗粒组成的复合材料，以提高橡胶的疲劳阈值。这种复合材料由长聚合物链形成，其中缠绕着大量的交联，并与刚性颗粒紧密粘附在一起。该研究以聚丙烯酸乙酯（PEA）和纳米二氧化硅颗粒为模型系统，展示了长聚合物、团聚颗粒以及聚合物与颗粒间的强粘附力在放大疲劳阈值方面的协同效应。
研究发现，复合材料的模量受颗粒大小和链长的影响。当颗粒渗入并形成网络时，复合材料的模量会显著增加。此外，较长的聚合物链也有助于提高模量。在疲劳阈值方面，研究发现，较长的聚合物链和成团的颗粒会增强复合材料的抗疲劳性。随着聚合物链变长和颗粒聚集在一起，疲劳阈值也随之升高。颗粒的渗流阈值在提高疲劳阈值方面作用不大。
橡胶工程学的新发现
在之前的研究中，SEAS 的 Allen E. and Marilyn M. Puckett 力学与材料学教授索志刚领导的研究小组通过延长聚合物链和增加缠结密度，显著提高了橡胶的疲劳阈值。那么颗粒强化橡胶又如何呢？研究小组在高度纠缠的橡胶中加入了二氧化硅颗粒，他们认为颗粒会增加硬度，但不会影响疲劳阈值，正如文献中普遍报道的那样。他们错了。
SEAS前研究生、论文共同第一作者杰森-斯特克（Jason Steck）说："这真是个惊喜。我们没想到添加颗粒会提高疲劳阈值，但我们发现疲劳阈值提高了十倍。Steck 现在是通用电气航空航天公司的研究工程师。"这种复合材料最初是透明的，但在大拉伸下会变成白色。在固定 C = 10−4 时，纯 PEA 的模量为 0.7 MPa，而复合材料的刚度要大得多，在 F = 0.45 时达到 14 MPa 的模量，在固定 F = 0.45 时，应力-拉伸曲线随 C 变化很大。复合材料显示出与纯 PEA 相同的 C 趋势，此外，模量随着 F 的增加而增加。
在哈佛团队的材料中，聚合物链很长而且高度纠缠在一起，而微粒则聚集在一起并与聚合物链共价结合。"事实证明，"论文共同第一作者、前 SEAS 研究生 Junsoo Kim 说，"这种材料能在两个长度尺度上分散裂缝周围的应力：聚合物链尺度和颗粒尺度。这种组合阻止了材料中裂缝的生长"。Kim 现为美国西北大学机械工程系助理教授。
研究小组在一块材料上切割出一条裂缝，然后将其拉伸数万次，以此证明了他们的方法。在他们的实验中，裂缝从未扩大。该研究的资深作者索说："我们的多尺度应力分散方法拓展了材料特性的空间，为减少聚合物污染和制造高性能软机器打开了大门。"
影响和未来应用
随着科学技术的不断发展，对于弹性体材料性能的需求也变得越发复杂和多样化。在这一背景下，科学家们不断探索新型材料设计的可能性，以满足各种应用的需求。
这一创新性的设计不仅为高体积应用，如轮胎和传动带等传统领域提供了新的可能性，同时也在新兴领域，如软体机器人和可穿戴设备中展现了潜在的应用前景。与此同时，本研究还强调了这种多功能弹性体的制备方法及其在工程实践中的广泛应用前景，为材料科学和工程领域的发展提供了有力的支持。
这项研究核心创新点在于首次提出并实现了一种多尺度应力分散机制，通过交缠的长聚合物链与刚性颗粒的协同作用，显著提升了颗粒增强橡胶的疲劳阈值，为弹性体材料的高性能设计提供了新的理论和实践基础。该工作所实现的抗疲劳橡胶-刚性颗粒复合材料有助于推动下一代可穿戴设备的研究，同时在颗粒增强弹性体的设计提供了新的思路以及抗疲劳材料设计和功能性应用开辟了崭新的前景，这将会对软材料疲劳测试、新型材料设计、柔性电子学等领域产生重要的影响。
哈佛大学技术开发办公室驻校专家、论文合著者雅科夫-库佐夫斯基（Yakov Kutsovsky）说："设计新型弹性材料的传统方法忽略了利用多尺度应力分散实现高性能弹性材料广泛工业用途的这些关键见解。这项工作中开发和展示的设计原则可适用于广泛的工业领域，包括轮胎和工业橡胶制品等大批量应用，以及可穿戴设备等新兴应用。"
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_542053.html
来源：贤集网