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南科大劉吉團隊《AM》：提高疲勞閾值達100倍！在軟材料極端力學(xué)上取得新進展

2021-08-02 10:35:43 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

近日，南方科技大學(xué)機械與能源工程系副教授劉吉團隊在Advanced Materials發(fā)表題為“Anisotropically Fatigue-Resistant Hydrogels”的研究論文，報道了一種簡單而通用的策略，實現(xiàn)水凝膠內(nèi)部多尺度微結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，從而疲勞閾值達100倍以上。該策略可被廣泛應(yīng)用于各種水凝膠材料，包括多糖（藻酸鹽、纖維素）、蛋白質(zhì)（明膠）、合成聚合物（聚乙烯醇）以及相應(yīng)的聚合物復(fù)合材料。

自然界中的生物材料常常使用有限的成分進行構(gòu)筑，其可通過利用多尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其與人工材料相比，具有無與倫比的機械性能。相比之下，合成材料的設(shè)計主要集中在開發(fā)新的化合物，而不能復(fù)制大自然生物材料的優(yōu)異特性，如抗疲勞性能。該研究中所報道的抗疲勞水凝膠，相對于傳統(tǒng)方法獲得的水凝膠材料具有優(yōu)異的抗疲勞特性，同時兼具成本低、性能高、耐用等優(yōu)點，有望應(yīng)用于軟體機器人和人造肌肉等領(lǐng)域。

該研究報道的方法只需要兩步簡單的工藝（圖1）：首先通過冷凍鑄造實現(xiàn)水凝膠內(nèi)部多尺度微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，隨后通過熱處理調(diào)控納米晶域的可控分布，有效地抵抗裂紋拓展。為了驗證抗疲勞水凝膠的設(shè)計原理，研究團隊選用醫(yī)用聚合物聚乙烯醇（PVA），獲得高含水量（~ 90%）的水凝膠材料。這類水凝膠沿著冷凍鑄造方向展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，可以輕易地提起比自身重3萬多倍的重物，斷裂韌性高達116 kJ m-2。

圖1.各向異性抗疲勞水凝膠的制備過程、實物展示和多尺度結(jié)構(gòu)表征。

如圖2所示，通過定量測量疲勞裂紋的拓展曲線，研究團隊發(fā)現(xiàn)無退火處理的PVA水凝膠的疲勞閾值僅僅只有20 J m-2，約等于斷裂一層無定形分子鏈，與傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)的PVA水凝膠類似。當(dāng)PVA水凝膠經(jīng)過冷凍鑄造和退火處理后，其疲勞閾值在垂直取向上為34 J m-2，而在平行取向上能夠達到1340 J m-2。同時，提高PVA的水含量能實現(xiàn)疲勞閾值高達2740 J m-2。此外，該各向異性抗疲勞水凝膠的策略被證實可以應(yīng)用于其他不同的材料體系，如多糖（藻酸鹽、纖維素）、蛋白質(zhì)（明膠）、合成聚合物（PVA）以及相應(yīng)的聚合物復(fù)合材料。

圖2. 各向異性抗疲勞水凝膠的抗疲勞性能和廣譜性驗證。

如圖3所示，研究團隊設(shè)計制造了一種水下游泳機器人，采用電動馬達展開手臂，同時將這類各向異性抗疲勞水凝作為力學(xué)傳動部分，實現(xiàn)該機器人可以在水下連續(xù)長期地游動（視頻1）。

視頻1.機器人的設(shè)計模型和游動過程。

圖3. 各向異性抗疲勞水凝膠在水下機器人應(yīng)用場景的百萬次驗證。

研究團隊在垂直于拉伸方向引入了一個微小的預(yù)切口，經(jīng)過超1,000,000次的連續(xù)循環(huán)拉伸（水下游動長達250小時），裂紋依然沒有拓展，表現(xiàn)出前所未有的抗疲勞特性（視頻2）。與之形成鮮明對照，傳統(tǒng)的凍融解凍得到的PVA水凝膠則迅速發(fā)生疲勞斷裂。

視頻2.機器人在水中百萬次循環(huán)游動過程。

南科大機械與能源工程系博士后梁翔禹為該論文第一作者，劉吉為通訊作者。南科大是論文第一單位。該研究得到深圳市仿生機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室、廣東省普通高校人體增強與康復(fù)機器人重點實驗室、廣東省自然科學(xué)基金-區(qū)域聯(lián)合基金項目（青年基金）等經(jīng)費支持。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202102011

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