【引言】

    《終結(jié)者》中機(jī)器人能夠任意改變形狀，相信讓看過電影的觀眾都感到非常震撼。而制造這種機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)版材料就是液態(tài)金屬（liquid metal）。金屬在液態(tài)時(shí)具有流動(dòng)性，剪切模量為零，而凝固以后卻又具有高強(qiáng)度、硬度和低電阻率的性質(zhì)。在諸如可伸縮可穿戴式電子設(shè)備、柔性機(jī)器人等醫(yī)學(xué)設(shè)備的工程應(yīng)用上，材料的軟硬至關(guān)重要。合成材料中的強(qiáng)度多數(shù)通過裂紋尖端的能量耗散實(shí)現(xiàn)。然而，生物材料通過結(jié)合多尺度的能量耗散顯示出的極限強(qiáng)度，同時(shí)使得前期裂紋尖端偏移減弱。

    【成果簡介】

    近日，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Carmel Majidi教授在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Extreme Toughening of Soft Materials with Liquid Metal”的研究文章。本文中作者提出了一種合成材料的體系結(jié)構(gòu)，能通過向柔性彈性體植入微米尺度的懸浮物和高形變能力的液態(tài)金屬液滴，表現(xiàn)出多模式強(qiáng)化。而且和未填充的聚合物相比，斷裂能劇增了50倍。對(duì)于一些液態(tài)金屬植入的彈性體組成，強(qiáng)度遠(yuǎn)超過了此前報(bào)道過的柔性彈性材料的最大值。這一劇烈強(qiáng)化作用通過增加的能量耗散和適應(yīng)性的裂紋移動(dòng)，以及有效消除裂紋尖端來實(shí)現(xiàn)。在加載時(shí)，隨著液態(tài)金屬植入物的形變所展現(xiàn)出的性能，為阻止超強(qiáng)軟物質(zhì)中的裂紋發(fā)生和抑制已有裂紋的擴(kuò)展提供了一種新機(jī)制。

    【圖文導(dǎo)讀】

圖1：植入液態(tài)金屬彈性體（LMEE）的力學(xué)性能表征與比較。

    （A）帶缺口的和易形變無裂紋擴(kuò)展的軟/硬的LMEE薄膜；

    （B）通過加入50%體積比的液態(tài)金屬，在樣品拉伸應(yīng)變?yōu)?00%，對(duì)LMEE的極限抗撕裂性進(jìn)行表征；

    （C）缺口樣品中，消耗外加機(jī)械功的不同機(jī)制示意圖。

圖2：LMEE樣品和未填充彈性體的裂紋擴(kuò)展情況。

    （A）未填充的聚硅氧烷在缺口實(shí)驗(yàn)中，水平裂紋移動(dòng)情況：（i）未拉伸，（ii）65%應(yīng)變值，（iii）125%應(yīng)變值；

    （B）體積分?jǐn)?shù)為30%的剛性顆粒中類似的水平裂紋移動(dòng)情況：i）具有典型夾雜物形貌的樣品，處于未拉伸態(tài)，ii）在應(yīng)變率為200%時(shí)，典型剛性夾雜物未變形，iii）應(yīng)變率為325%；

    （C）50%體積分?jǐn)?shù)的液態(tài)金屬夾雜物的縱向裂紋移動(dòng)和裂紋消失示意，LMEE樣品分別處于：i）具有典型夾雜物形貌的樣品，處于未拉伸態(tài)，ii） 具有典型夾雜物形貌的樣品，處于100%應(yīng)變率的狀態(tài)，iii,iv）應(yīng)變率為400%和500%時(shí)垂直撕裂移動(dòng)，v）650%應(yīng)變率時(shí)裂痕完全消失。光學(xué)顯微鏡圖像（vi）-（x）代表圖像中所圈區(qū)域。

圖3：彈性體的力學(xué)性能隨液態(tài)金屬體積分?jǐn)?shù)變化情況。

    （A）70mm×10mm未填充降解塑料Ecoflex樣品和50%液態(tài)金屬體積比的LMEE，在純剪切試驗(yàn)中的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

    （B）未填充的Ecoflex樣品和含有50%體積分?jǐn)?shù)液態(tài)金屬的Ecoflex樣品的斷裂能比較；

    （C）臨界應(yīng)變隨液態(tài)金屬體積分?jǐn)?shù)變化的函數(shù)關(guān)系曲線；

    （D）斷裂能增量隨液態(tài)金屬體積分?jǐn)?shù)變化的函數(shù)關(guān)系曲線；

    （E）區(qū)域I中LMEE和RPEE的斷裂能比較；

    （F）第一輪加載周期內(nèi)，LMEE和RPEE復(fù)合物的斷裂能增強(qiáng)和拉伸模量之間的關(guān)系。

    【小結(jié)】

    本文說明向軟彈性體中植入微尺度的液態(tài)金屬液滴可以將斷裂能提高50倍。作者將這一顯著提高歸因于雙重機(jī)制。一個(gè)是傳統(tǒng)的力學(xué)耗散和在剛性顆粒填充的彈性體或凝膠中觀察到的Mullins效應(yīng)；另一個(gè)是由于高致密度導(dǎo)致縱向的裂紋偏移，植入軟彈性體中的液態(tài)金屬液滴發(fā)生延展，即所謂的Cook-Gordon機(jī)制以增強(qiáng)斷裂強(qiáng)度。包括取代硬脆材料提高電子設(shè)備生物相容性，

    文獻(xiàn)鏈接：Extreme Toughening of Soft Materials with Liquid Metal （Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201706594）

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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