隨著科學技術的不斷發(fā)展，對于彈性體材料性能的需求也變得越發(fā)復雜和多樣化。在這一背景下，科學家們不斷探索新型材料設計的可能性，以滿足各種應用的需求。傳統(tǒng)上，天然橡膠彈性體的模量和疲勞閾值之間存在一種權衡關系，為了較好的解決這個問題，科學家用剛性顆粒（也就是無機陶瓷顆粒）來提高天然橡膠的模量。然而，即使彈性模量有所提高，其疲勞閾值幾十年來一直保持在大約100?J?m?2。有趣的是，哈佛大學鎖志剛院士團隊介紹了一種新穎的材料設計理念，通過多尺度應力分散的方法，成功實現(xiàn)了顆粒增強橡膠材料在模量和材料疲勞閾值方面（橡膠的疲勞閾值約為1000?J?m?2）的協(xié)同提升。這一創(chuàng)新性的設計不僅為高體積應用，如輪胎和傳動帶等傳統(tǒng)領域提供了新的可能性，同時也在新興領域，如軟體機器人和可穿戴設備中展現(xiàn)了潛在的應用前景。與此同時，本研究還強調(diào)了這種多功能彈性體的制備方法及其在工程實踐中的廣泛應用前景，為材料科學和工程領域的發(fā)展提供了有力的支持。通過對多尺度應力分散的深入研究，本文展示了材料疲勞設計的新思路，為未來抗疲勞材料領域的創(chuàng)新發(fā)展打開了嶄新的研究方向。

研究人員在室溫下首次合成了一種聚合物-顆粒網(wǎng)絡，其中聚合物鏈異常長且交纏數(shù)量遠超過交聯(lián)點的數(shù)量。單個顆粒的尺寸遠大于相鄰聚合物鏈之間的單個鏈段（見圖1）。這些聚合物鏈與顆粒之間通過強烈的鍵結相互連接。隨著顆粒體積分數(shù)的增加，顆粒形成簇并逐漸滲透整個網(wǎng)絡。研究團隊采用聚（丙烯酸乙酯）（PEA）和經(jīng)過3-（三甲氧基甲硅烷基）丙酯（TPM）功能化的二氧化硅納米顆粒作為模型系統(tǒng)。通過長聚合物、簇狀顆粒和強聚合物-顆粒粘附力的協(xié)同作用，成功放大了材料的疲勞閾值。在裂紋尖端，應力首先通過聚合物鏈的層次分散，然后再通過顆粒簇的層次進行進一步分散。這種多尺度應力分散機制在兩個尺度上均發(fā)揮作用，有效地提高了材料的疲勞閾值。

圖1. 橡膠彈性體-顆粒復合材料的制備和協(xié)同作用放大的疲勞閾值

研究團隊進一步評估了合成的材料力學性能，每個復合材料的合成都具有交聯(lián)劑與單體的摩爾比C和顆粒的體積分數(shù)F。他們通過單調(diào)拉伸每個復合材料直至斷裂來測試其性能。在拉伸過程中，這些材料最初是透明的，但在大拉伸時會轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨▓D2）。在卸載過程中，樣品再次變得透明。在小拉伸下，應力-拉伸曲線的斜率定義了模量。對于純PEA，當C在10?5和10?2.5之間時，模量E趨于穩(wěn)定（圖2d）。研究人員還將E作為F的函數(shù)進行了繪制（圖2e）。在所有C值下，模量隨著F的增加而增加。當C小于10?2.5時，所有曲線均折疊成一條線，表明E不是C的函數(shù)。當10?2時，該曲線與折疊線有所偏離，這是因為交聯(lián)數(shù)量多于纏結。這一系列觀察結果有力地支持多尺度應力分散機制的存在和有效性。

圖2. 橡膠彈性體復合材料的力學測試。

在壽命測試方面（見圖3），研究人員觀察到應力-拉伸曲線在初始循環(huán)中發(fā)生變化，但大約在1000個循環(huán)后達到了穩(wěn)定狀態(tài)。采用不同材料設計，研究團隊得到了在不同λamp下的穩(wěn)態(tài)應力-拉伸曲線。通過應用5000個加載周期和1小時的恢復序列，他們研究了復合材料的恢復情況。在一個序列之后，復合材料幾乎完全恢復到一個拉伸狀態(tài)，與制備樣品的應力-拉伸曲線相比，該曲線下降，并且磁滯回線更小。這些觀察結果表明微觀結構發(fā)生變化，例如顆粒與基體之間的部分解粘、聚合物鏈的斷裂或者基體中形成空隙。在第二個序列之后，應力-拉伸曲線與第一個序列之后幾乎沒有區(qū)別，表明微觀結構已經(jīng)穩(wěn)定。因此，這種設計有助于彈性材料的疲勞穩(wěn)定性。

最后，研究人員研究了這種新型抗疲勞彈性材料在不同領域的應用。首先是大變形材料需求領域，例如手套、紋理皮帶、輪胎胎面和用于軟印刷的郵票。長期以來，人們一直認為顆粒增強彈性體可以成型成復雜形狀，因為顆粒通常比最終形狀的特征尺寸小得多。在這里，作者通過激光切割制作一個具有細小特征的鋁模，并使用該模來澆鑄顆粒增強彈性體（圖4a）。成型的樣品可以經(jīng)歷大變形（圖4b）。

其次是在周期性載荷狀況下的應用，例如振動減震器、密封件和O形密封圈。因為對于彈性材料，承載能力由模量縮放，高疲勞閾值使得大量循環(huán)成為可能。在這里，作者通過使用一個帶有裂縫的圓柱形橡膠墊來演示高模量和高疲勞閾值的重要性（圖4c）。

圖3. 橡膠復合材料的疲勞穩(wěn)定性。

接著就是在軟機器人，可穿戴領域，材料需要在大幅度和重復的位移下承受載荷。作者在一個最近設計的柔性夾具中展示了高模量和高疲勞閾值的重要性（圖4f）。他們選擇這個應用是因為剪紙需要通過設計進行切割，而夾具需要持續(xù)循環(huán)變形。因此，夾具的設計是在彈性材料測試中顯得尤為重要。

圖4. 顆粒增強彈性體的多重應用

這項研究核心創(chuàng)新點在于首次提出并實現(xiàn)了一種多尺度應力分散機制，通過交纏的長聚合物鏈與剛性顆粒的協(xié)同作用，顯著提升了顆粒增強橡膠的疲勞閾值，為彈性體材料的高性能設計提供了新的理論和實踐基礎。

該工作所實現(xiàn)的抗疲勞橡膠-剛性顆粒復合材料有助于推動下一代可穿戴設備的研究，同時在顆粒增強彈性體的設計提供了新的思路以及抗疲勞材料設計和功能性應用開辟了嶄新的前景，這將會對軟材料疲勞測試、新型材料設計、柔性電子學等領域產(chǎn)生重要的影響。

原文詳情：

Steck, J., Kim, J., Kutsovsky, Y. et al. Multiscale stress deconcentration amplifies fatigue resistance of rubber. Nature 624, 303–308 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06782-2.