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。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(quán)衡關(guān)系，為了較好的解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家用剛性顆粒（也就是無(wú)機(jī)陶瓷顆粒）來(lái)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(lái)一直保持在大約100?J?m?2。有趣的是，哈佛大學(xué)鎖志剛院士團(tuán)隊(duì)介紹了一種新穎的材料設(shè)計(jì)理念，通過(guò)多尺度應(yīng)力分散的方法，成功實(shí)現(xiàn)了顆粒增強(qiáng)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(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。通過(guò)對(duì)多尺度應(yīng)力分散的深入研究，本文展示了材料疲勞設(shè)計(jì)的新思路，為未來(lái)抗疲勞材料領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展打開(kāi)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(luò)，其中聚合物鏈異常長(zhǎng)且交纏數(shù)量遠(yuǎn)超過(guò)交聯(lián)點(diǎn)的數(shù)量。單個(gè)顆粒的尺寸遠(yuǎn)大于相鄰聚合物鏈之間的單個(gè)鏈段（見(jiàn)圖1）。這些聚合物鏈與顆粒之間通過(guò)強(qiáng)烈的鍵結(jié)相互連接。隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，顆粒形成簇并逐漸滲透整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。研究團(tuán)隊(duì)采用聚（丙烯酸乙酯）（PEA）和經(jīng)過(guò)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(guò)長(zhǎng)聚合物、簇狀顆粒和強(qiáng)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(yīng)力首先通過(guò)聚合物鏈的層次分散，然后再通過(guò)顆粒簇的層次進(jìn)行進(jìn)一步分散。這種多尺度應(yīng)力分散機(jī)制在兩個(gè)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(fù)合材料的制備和協(xié)同作用放大的疲勞閾值

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步評(píng)估了合成的材料力學(xué)性能，每個(gè)復(fù)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?jǐn)?shù)F。他們通過(guò)單調(diào)拉伸每個(gè)復(fù)合材料直至斷裂來(lái)測(cè)試其性能。在拉伸過(guò)程中，這些材料最初是透明的，但在大拉伸時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨▓D2）。在卸載過(guò)程中，樣品再次變得透明。在小拉伸下，應(yīng)力-拉伸曲線的斜率定義了模量。對(duì)于純PEA，當(dāng)C在10?5和10?2.5之間時(shí)，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(jìn)行了繪制（圖2e）。在所有C值下，模量隨著F的增加而增加。當(dāng)C小于10?2.5時(shí)，所有曲線均折疊成一條線，表明E不是C的函數(shù)。當(dāng)10?2時(shí)，該曲線與折疊線有所偏離，這是因?yàn)榻宦?lián)數(shù)量多于纏結(jié)。這一系列觀察結(jié)果有力地支持多尺度應(yīng)力分散機(jī)制的存在和有效性。

圖2. 橡膠彈性體復(fù)合材料的力學(xué)測(cè)試。

在壽命測(cè)試方面（見(jiàn)圖3），研究人員觀察到應(yīng)力-拉伸曲線在初始循環(huán)中發(fā)生變化，但大約在1000個(gè)循環(huán)后達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。采用不同材料設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)得到了在不同λamp下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力-拉伸曲線。通過(guò)應(yīng)用5000個(gè)加載周期和1小時(shí)的恢復(fù)序列，他們研究了復(fù)合材料的恢復(fù)情況。在一個(gè)序列之后，復(fù)合材料幾乎完全恢復(fù)到一個(gè)拉伸狀態(tài)，與制備樣品的應(yīng)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(jié)果表明微觀結(jié)構(gòu)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(gè)序列之后，應(yīng)力-拉伸曲線與第一個(gè)序列之后幾乎沒(méi)有區(qū)別，表明微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定。因此，這種設(shè)計(jì)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(lǐng)域的應(yīng)用。首先是大變形材料需求領(lǐng)域，例如手套、紋理皮帶、輪胎胎面和用于軟印刷的郵票。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為顆粒增強(qiáng)彈性體可以成型成復(fù)雜形狀，因?yàn)轭w粒通常比最終形狀的特征尺寸小得多。在這里，作者通過(guò)激光切割制作一個(gè)具有細(xì)小特征的鋁模，并使用該模來(lái)澆鑄顆粒增強(qiáng)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(yīng)用，例如振動(dòng)減震器、密封件和O形密封圈。因?yàn)閷?duì)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(guò)使用一個(gè)帶有裂縫的圓柱形橡膠墊來(lái)演示高模量和高疲勞閾值的重要性（圖4c）。

圖3. 橡膠復(fù)合材料的疲勞穩(wěn)定性。

接著就是在軟機(jī)器人，可穿戴領(lǐng)域，材料需要在大幅度和重復(fù)的位移下承受載荷。作者在一個(gè)最近設(shè)計(jì)的柔性?shī)A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(gè)應(yīng)用是因?yàn)榧艏埿枰ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行切割，而夾具需要持續(xù)循環(huán)變形。因此，夾具的設(shè)計(jì)是在彈性材料測(cè)試中顯得尤為重要。

圖4. 顆粒增強(qiáng)彈性體的多重應(yīng)用

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(kāi)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。

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.