剛性顆粒增強(qiáng)的橡膠使用的范圍相當(dāng)廣泛，包括輪胎、減震器、皮帶和軟管。許多應(yīng)用需要高模量來(lái)抵抗過(guò)度變形，并需要高疲勞閾值來(lái)抵抗循環(huán)載荷下的裂紋擴(kuò)展。然而其疲勞閾值長(zhǎng)期以來(lái)一直存在瓶頸。以往的研究表明，雖然加入顆?？梢燥@著增加橡膠的模量，但對(duì)于疲勞閾值的提升效果有限。
哈佛大學(xué)約翰-保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科學(xué)家們提高了顆粒增強(qiáng)橡膠的疲勞閾值，它們開發(fā)出了一種新的多尺度方法，使這種材料能夠承受高負(fù)荷，并在反復(fù)使用中抵御裂紋增長(zhǎng)。這種方法不僅能延長(zhǎng)輪胎等橡膠制品的使用壽命，還能減少橡膠顆粒在使用過(guò)程中產(chǎn)生的污染。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》雜志上。
改進(jìn)微粒增強(qiáng)橡膠
近期，哈佛大學(xué)鎖志剛院士以及Yakov Kutsovsky教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)多尺度應(yīng)力分散來(lái)放大顆粒增強(qiáng)橡膠的疲勞閾值。合成了一種橡膠，其中高度纏結(jié)的長(zhǎng)聚合物與剛性顆粒牢固粘合。在裂紋尖端，應(yīng)力在兩個(gè)長(zhǎng)度尺度上分散：首先通過(guò)聚合物，然后通過(guò)顆粒。這種橡膠的疲勞閾值約為 1000 J m?2 。由這種橡膠制成的安裝座和夾具可承受高負(fù)載，并能在重復(fù)操作中防止裂紋擴(kuò)展。
這種材料兼具高模量（剛度）和高疲勞閾值，為材料設(shè)計(jì)提供了更多選擇。這種材料是通過(guò)在橡膠基體中加入二氧化硅納米顆粒和長(zhǎng)聚合物鏈而制成的。這兩種成分的結(jié)合使這種材料能夠承受反復(fù)的加載和變形，而不會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋增長(zhǎng)或失效。這項(xiàng)創(chuàng)新有望應(yīng)用于軟機(jī)器人和抓手設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域中，材料需要承受大的重復(fù)位移載荷。
這是一種由交聯(lián)聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)和滲流剛性顆粒組成的復(fù)合材料，以提高橡膠的疲勞閾值。這種復(fù)合材料由長(zhǎng)聚合物鏈形成，其中纏繞著大量的交聯(lián)，并與剛性顆粒緊密粘附在一起。該研究以聚丙烯酸乙酯（PEA）和納米二氧化硅顆粒為模型系統(tǒng)，展示了長(zhǎng)聚合物、團(tuán)聚顆粒以及聚合物與顆粒間的強(qiáng)粘附力在放大疲勞閾值方面的協(xié)同效應(yīng)。
研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的模量受顆粒大小和鏈長(zhǎng)的影響。當(dāng)顆粒滲入并形成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，復(fù)合材料的模量會(huì)顯著增加。此外，較長(zhǎng)的聚合物鏈也有助于提高模量。在疲勞閾值方面，研究發(fā)現(xiàn)，較長(zhǎng)的聚合物鏈和成團(tuán)的顆粒會(huì)增強(qiáng)復(fù)合材料的抗疲勞性。隨著聚合物鏈變長(zhǎng)和顆粒聚集在一起，疲勞閾值也隨之升高。顆粒的滲流閾值在提高疲勞閾值方面作用不大。
橡膠工程學(xué)的新發(fā)現(xiàn)
在之前的研究中，SEAS 的 Allen E. and Marilyn M. Puckett 力學(xué)與材料學(xué)教授索志剛領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過(guò)延長(zhǎng)聚合物鏈和增加纏結(jié)密度，顯著提高了橡膠的疲勞閾值。那么顆粒強(qiáng)化橡膠又如何呢？研究小組在高度糾纏的橡膠中加入了二氧化硅顆粒，他們認(rèn)為顆粒會(huì)增加硬度，但不會(huì)影響疲勞閾值，正如文獻(xiàn)中普遍報(bào)道的那樣。他們錯(cuò)了。
SEAS前研究生、論文共同第一作者杰森-斯特克（Jason Steck）說(shuō)："這真是個(gè)驚喜。我們沒(méi)想到添加顆粒會(huì)提高疲勞閾值，但我們發(fā)現(xiàn)疲勞閾值提高了十倍。Steck 現(xiàn)在是通用電氣航空航天公司的研究工程師。"這種復(fù)合材料最初是透明的，但在大拉伸下會(huì)變成白色。在固定 C = 10?4 時(shí)，純 PEA 的模量為 0.7 MPa，而復(fù)合材料的剛度要大得多，在 F = 0.45 時(shí)達(dá)到 14 MPa 的模量，在固定 F = 0.45 時(shí)，應(yīng)力-拉伸曲線隨 C 變化很大。復(fù)合材料顯示出與純 PEA 相同的 C 趨勢(shì)，此外，模量隨著 F 的增加而增加。
在哈佛團(tuán)隊(duì)的材料中，聚合物鏈很長(zhǎng)而且高度糾纏在一起，而微粒則聚集在一起并與聚合物鏈共價(jià)結(jié)合。"事實(shí)證明，"論文共同第一作者、前 SEAS 研究生 Junsoo Kim 說(shuō)，"這種材料能在兩個(gè)長(zhǎng)度尺度上分散裂縫周圍的應(yīng)力：聚合物鏈尺度和顆粒尺度。這種組合阻止了材料中裂縫的生長(zhǎng)"。Kim 現(xiàn)為美國(guó)西北大學(xué)機(jī)械工程系助理教授。
研究小組在一塊材料上切割出一條裂縫，然后將其拉伸數(shù)萬(wàn)次，以此證明了他們的方法。在他們的實(shí)驗(yàn)中，裂縫從未擴(kuò)大。該研究的資深作者索說(shuō)："我們的多尺度應(yīng)力分散方法拓展了材料特性的空間，為減少聚合物污染和制造高性能軟機(jī)器打開了大門。"
影響和未來(lái)應(yīng)用
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于彈性體材料性能的需求也變得越發(fā)復(fù)雜和多樣化。在這一背景下，科學(xué)家們不斷探索新型材料設(shè)計(jì)的可能性，以滿足各種應(yīng)用的需求。
這一創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)不僅為高體積應(yīng)用，如輪胎和傳動(dòng)帶等傳統(tǒng)領(lǐng)域提供了新的可能性，同時(shí)也在新興領(lǐng)域，如軟體機(jī)器人和可穿戴設(shè)備中展現(xiàn)了潛在的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，本研究還強(qiáng)調(diào)了這種多功能彈性體的制備方法及其在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用前景，為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的支持。
這項(xiàng)研究核心創(chuàng)新點(diǎn)在于首次提出并實(shí)現(xiàn)了一種多尺度應(yīng)力分散機(jī)制，通過(guò)交纏的長(zhǎng)聚合物鏈與剛性顆粒的協(xié)同作用，顯著提升了顆粒增強(qiáng)橡膠的疲勞閾值，為彈性體材料的高性能設(shè)計(jì)提供了新的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。該工作所實(shí)現(xiàn)的抗疲勞橡膠-剛性顆粒復(fù)合材料有助于推動(dòng)下一代可穿戴設(shè)備的研究，同時(shí)在顆粒增強(qiáng)彈性體的設(shè)計(jì)提供了新的思路以及抗疲勞材料設(shè)計(jì)和功能性應(yīng)用開辟了嶄新的前景，這將會(huì)對(duì)軟材料疲勞測(cè)試、新型材料設(shè)計(jì)、柔性電子學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響。
哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室駐校專家、論文合著者雅科夫-庫(kù)佐夫斯基（Yakov Kutsovsky）說(shuō)："設(shè)計(jì)新型彈性材料的傳統(tǒng)方法忽略了利用多尺度應(yīng)力分散實(shí)現(xiàn)高性能彈性材料廣泛工業(yè)用途的這些關(guān)鍵見(jiàn)解。這項(xiàng)工作中開發(fā)和展示的設(shè)計(jì)原則可適用于廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，包括輪胎和工業(yè)橡膠制品等大批量應(yīng)用，以及可穿戴設(shè)備等新興應(yīng)用。"
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_542053.html
來(lái)源：賢集網(wǎng)
哈佛大學(xué)約翰-保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科學(xué)家們提高了顆粒增強(qiáng)橡膠的疲勞閾值，它們開發(fā)出了一種新的多尺度方法，使這種材料能夠承受高負(fù)荷，并在反復(fù)使用中抵御裂紋增長(zhǎng)。這種方法不僅能延長(zhǎng)輪胎等橡膠制品的使用壽命，還能減少橡膠顆粒在使用過(guò)程中產(chǎn)生的污染。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》雜志上。
改進(jìn)微粒增強(qiáng)橡膠
近期，哈佛大學(xué)鎖志剛院士以及Yakov Kutsovsky教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)多尺度應(yīng)力分散來(lái)放大顆粒增強(qiáng)橡膠的疲勞閾值。合成了一種橡膠，其中高度纏結(jié)的長(zhǎng)聚合物與剛性顆粒牢固粘合。在裂紋尖端，應(yīng)力在兩個(gè)長(zhǎng)度尺度上分散：首先通過(guò)聚合物，然后通過(guò)顆粒。這種橡膠的疲勞閾值約為 1000 J m?2 。由這種橡膠制成的安裝座和夾具可承受高負(fù)載，并能在重復(fù)操作中防止裂紋擴(kuò)展。
這種材料兼具高模量（剛度）和高疲勞閾值，為材料設(shè)計(jì)提供了更多選擇。這種材料是通過(guò)在橡膠基體中加入二氧化硅納米顆粒和長(zhǎng)聚合物鏈而制成的。這兩種成分的結(jié)合使這種材料能夠承受反復(fù)的加載和變形，而不會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋增長(zhǎng)或失效。這項(xiàng)創(chuàng)新有望應(yīng)用于軟機(jī)器人和抓手設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域中，材料需要承受大的重復(fù)位移載荷。
這是一種由交聯(lián)聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)和滲流剛性顆粒組成的復(fù)合材料，以提高橡膠的疲勞閾值。這種復(fù)合材料由長(zhǎng)聚合物鏈形成，其中纏繞著大量的交聯(lián)，并與剛性顆粒緊密粘附在一起。該研究以聚丙烯酸乙酯（PEA）和納米二氧化硅顆粒為模型系統(tǒng)，展示了長(zhǎng)聚合物、團(tuán)聚顆粒以及聚合物與顆粒間的強(qiáng)粘附力在放大疲勞閾值方面的協(xié)同效應(yīng)。
研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的模量受顆粒大小和鏈長(zhǎng)的影響。當(dāng)顆粒滲入并形成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，復(fù)合材料的模量會(huì)顯著增加。此外，較長(zhǎng)的聚合物鏈也有助于提高模量。在疲勞閾值方面，研究發(fā)現(xiàn)，較長(zhǎng)的聚合物鏈和成團(tuán)的顆粒會(huì)增強(qiáng)復(fù)合材料的抗疲勞性。隨著聚合物鏈變長(zhǎng)和顆粒聚集在一起，疲勞閾值也隨之升高。顆粒的滲流閾值在提高疲勞閾值方面作用不大。
橡膠工程學(xué)的新發(fā)現(xiàn)
在之前的研究中，SEAS 的 Allen E. and Marilyn M. Puckett 力學(xué)與材料學(xué)教授索志剛領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過(guò)延長(zhǎng)聚合物鏈和增加纏結(jié)密度，顯著提高了橡膠的疲勞閾值。那么顆粒強(qiáng)化橡膠又如何呢？研究小組在高度糾纏的橡膠中加入了二氧化硅顆粒，他們認(rèn)為顆粒會(huì)增加硬度，但不會(huì)影響疲勞閾值，正如文獻(xiàn)中普遍報(bào)道的那樣。他們錯(cuò)了。
SEAS前研究生、論文共同第一作者杰森-斯特克（Jason Steck）說(shuō)："這真是個(gè)驚喜。我們沒(méi)想到添加顆粒會(huì)提高疲勞閾值，但我們發(fā)現(xiàn)疲勞閾值提高了十倍。Steck 現(xiàn)在是通用電氣航空航天公司的研究工程師。"這種復(fù)合材料最初是透明的，但在大拉伸下會(huì)變成白色。在固定 C = 10?4 時(shí)，純 PEA 的模量為 0.7 MPa，而復(fù)合材料的剛度要大得多，在 F = 0.45 時(shí)達(dá)到 14 MPa 的模量，在固定 F = 0.45 時(shí)，應(yīng)力-拉伸曲線隨 C 變化很大。復(fù)合材料顯示出與純 PEA 相同的 C 趨勢(shì)，此外，模量隨著 F 的增加而增加。
在哈佛團(tuán)隊(duì)的材料中，聚合物鏈很長(zhǎng)而且高度糾纏在一起，而微粒則聚集在一起并與聚合物鏈共價(jià)結(jié)合。"事實(shí)證明，"論文共同第一作者、前 SEAS 研究生 Junsoo Kim 說(shuō)，"這種材料能在兩個(gè)長(zhǎng)度尺度上分散裂縫周圍的應(yīng)力：聚合物鏈尺度和顆粒尺度。這種組合阻止了材料中裂縫的生長(zhǎng)"。Kim 現(xiàn)為美國(guó)西北大學(xué)機(jī)械工程系助理教授。
研究小組在一塊材料上切割出一條裂縫，然后將其拉伸數(shù)萬(wàn)次，以此證明了他們的方法。在他們的實(shí)驗(yàn)中，裂縫從未擴(kuò)大。該研究的資深作者索說(shuō)："我們的多尺度應(yīng)力分散方法拓展了材料特性的空間，為減少聚合物污染和制造高性能軟機(jī)器打開了大門。"
影響和未來(lái)應(yīng)用
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于彈性體材料性能的需求也變得越發(fā)復(fù)雜和多樣化。在這一背景下，科學(xué)家們不斷探索新型材料設(shè)計(jì)的可能性，以滿足各種應(yīng)用的需求。
這一創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)不僅為高體積應(yīng)用，如輪胎和傳動(dòng)帶等傳統(tǒng)領(lǐng)域提供了新的可能性，同時(shí)也在新興領(lǐng)域，如軟體機(jī)器人和可穿戴設(shè)備中展現(xiàn)了潛在的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，本研究還強(qiáng)調(diào)了這種多功能彈性體的制備方法及其在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用前景，為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的支持。
這項(xiàng)研究核心創(chuàng)新點(diǎn)在于首次提出并實(shí)現(xiàn)了一種多尺度應(yīng)力分散機(jī)制，通過(guò)交纏的長(zhǎng)聚合物鏈與剛性顆粒的協(xié)同作用，顯著提升了顆粒增強(qiáng)橡膠的疲勞閾值，為彈性體材料的高性能設(shè)計(jì)提供了新的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。該工作所實(shí)現(xiàn)的抗疲勞橡膠-剛性顆粒復(fù)合材料有助于推動(dòng)下一代可穿戴設(shè)備的研究，同時(shí)在顆粒增強(qiáng)彈性體的設(shè)計(jì)提供了新的思路以及抗疲勞材料設(shè)計(jì)和功能性應(yīng)用開辟了嶄新的前景，這將會(huì)對(duì)軟材料疲勞測(cè)試、新型材料設(shè)計(jì)、柔性電子學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響。
哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室駐校專家、論文合著者雅科夫-庫(kù)佐夫斯基（Yakov Kutsovsky）說(shuō)："設(shè)計(jì)新型彈性材料的傳統(tǒng)方法忽略了利用多尺度應(yīng)力分散實(shí)現(xiàn)高性能彈性材料廣泛工業(yè)用途的這些關(guān)鍵見(jiàn)解。這項(xiàng)工作中開發(fā)和展示的設(shè)計(jì)原則可適用于廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，包括輪胎和工業(yè)橡膠制品等大批量應(yīng)用，以及可穿戴設(shè)備等新興應(yīng)用。"
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