哈佛大學鎖志剛院士團隊:循環拉伸30000次毫無壓力!給凝膠材料加筋,高度抗疲勞凝膠材料問世

可拉伸材料(如彈性體、水凝膠、有機凝膠和離子凝膠)在組織修復、藥物輸送、機器人、離子電子、生物電子、合成生物學,以及可穿戴設備中都有廣泛應用。當這些材料承受負荷時,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載荷下的韌性Γ和循環載荷下的閾值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。大多數材料,如塑料、金屬、彈性體、水凝膠,多少都有些韌性,因此都位於對角線下面,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數量級,一個代表性的例子就是天然橡膠,它的韌性一般超過10000 J/m2,但閾值隻有可憐的50 J/m2

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成果介紹

基於以上分析,哈佛大學鎖志剛教授課題組提出瞭一種可以同時提高凝膠材料拉伸性和抗疲勞性的方法。他們將聚二甲基矽氧烷(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,通過稀疏的共價鍵將兩者交聯在一起,合成瞭一種凝膠復合材料。發現單獨的PDMS纖維和PAAm凝膠的韌性隻有365 J/m2和1142 J/m2,但是復合材料的韌性則高達4136 J/m2,而且材料循環30000次後裂紋不再繼續擴展,表現出優異的抗疲勞性。研究者認為這種方法具有廣泛的適用性,為高性能凝膠材料的開發打開瞭一扇大門。

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材料設計原理

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圖1. 高拉伸性和耐疲勞材料的設計原理。

柔軟且可拉伸的纖維具有高模量和低閾值的特點,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鍵連接在一起形成復合材料,在未變形時,纖維均勻分散在基體中(紅色正方形標記的為部分基體),用刀片將復合材料割上一道裂紋,並施加應力使其拉伸,基體會發生很大的剪切形變,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,復合材料中裂紋的發展就會更加困難,在材料完全失效之前,所有纖維都能均勻分擔載荷,所以復合材料具有更好的韌性和抗疲勞性能。

復合材料的合成及力學性能測試方法

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圖2.拉伸性好和耐疲勞材料的制備過程及力學性能測試方法。

為瞭制備出拉伸性高、抗疲勞性好的復合材料,研究者以聚二甲基矽氧烷(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,在光引發下制備凝膠;然後將Sylgard 184和固化劑(重量比為10:1)混合制備出0.5mm厚的PDMS薄膜,然後將其切為寬度1 mm~2.5 mm的纖維,將纖維排列成骨架,在其上進行AAM的光固化凝膠反應,最終得到瞭復合材料。

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

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圖3. 復合材料中裂紋的發展情況。

為瞭研究復合材料中裂紋的發展情況,研究者采用循環拉伸實驗進行測試,拉伸載荷的振幅為1.725,能量釋放速率為1290 J/m2。發現預先切割出裂紋的復合材料在最初幾千次循環後,裂紋僅擴展到瞭第一根纖維,超過30000個循環後裂紋不再繼續擴展。相比之下,復合材料中PDMS纖維的韌性為隻有365 J/m2,水凝膠基體的韌性要高一些,達到瞭1142 J/m2,但是復合材料的韌性則高達4136 J/m2,表現出優異的抗疲勞性能。

復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合材料失效的循環次數。(a)樣品在第一個循環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,材料失效的循環次數增加;(d和e)當能量釋放速率的振幅足夠低時,實驗終止時未觀察到材料失效;(f)復合材料的G-N曲線。

為瞭研究材料的抗疲勞性能,研究者進行瞭循環載荷測試,發現如果復合材料中基體比纖維更加柔軟時,纖維斷裂後材料才會失效。當樣品的能量釋放速率低於4441 J/m2時,纖維在第一個循環中就發生瞭斷裂;復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載荷;如果能量釋放速率和幅度進一步降低,在數萬次循環候纖維不會斷裂,復合材料也不會失效。

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圖5. 當基體可拉伸性不高時,復合材料的疲勞行為。

作為對比,研究者又合成瞭一種基體水凝膠可拉伸性不高的材料,發現這種復合材料在能量釋放速率為1290 J/m2的載荷下經過6414個循環後即失效,失效模式為扭結裂紋失效,在邊界處形成扭結裂紋和基體破裂。

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圖6. 特征尺寸較小的復合材料的疲勞行為

研究者增加瞭纖維的數量,但保持纖維含量不變(20.3 wt%),以減少復合材料的特征尺寸。發現在1290 J/m2的能量釋放速率的振幅下,材料在6432個循環後裂紋發展到第一根纖維,在10317個循環後開始出現扭結裂紋,並隨後向上傳播。

纖維-基體粘附強度對材料力學性能的影響

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

為瞭研究纖維和基體粘附性大小對材料力學性能的影響,研究者合成瞭兩組復合材料,其中一組中纖維和水凝膠形成共價交聯,在另一組中纖維和水凝膠形成非共價鍵作用。發現這兩組材料表現出不同的應力-拉伸行為,具有強界面粘附性的復合材料的韌性是弱界面粘附性的四倍,而且當纖維和基體的粘附力弱時,復合材料會由於基體的斷裂而失效。



哈佛大學鎖志剛教授課題組合成瞭一種韌性好、耐疲勞的凝膠復合材料。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瞭一種復合凝膠材料。在循環拉伸實驗中測試瞭材料的抗疲勞性能,當拉伸載荷的振幅為1.725、能量釋放速率為1290 J/m2時,預先切割出裂紋的復合材料在最初幾千次循環後,裂紋僅擴展到瞭第一根纖維,超過30000個循環後裂紋不再繼續擴展,表現出優異的抗疲勞性能。雖然PDMS纖維和水凝膠基體的韌性為隻有365 J/m2和1142 J/m2,但是經過共價鍵結合後復合材料的韌性則高達4136 J/m2。如果基體水凝膠的可拉伸性不高,這種復合材料經過6414個循環後即發生瞭扭結裂紋失效;如果增加纖維密度,材料在10317個循環後同樣因為扭結裂紋而失效。而且纖維和基體的粘附強度要高一些,具有強界面粘附性的復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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