锁志刚院士最新Nature收现：应力分说设念有助于增强橡胶的颓丧寿命！ – 质料牛

发布时间：2025-04-05 21:05:05 来源： 作者：世界视角

随着科教足艺的锁志士最e收说设丧寿不竭去世少，对于弹性体质料功能的刚院需供也变患上愈减重大战多样化。正在那一布景下，新N现应橡胶科教家们不竭探供新型质料设念的力分料牛可能性，以知足种种操做的助于增强需供。传统上，命质做作橡胶弹性体的锁志士最e收说设丧寿模量战颓丧阈值之间存正在一种掂量关连，为了较好的刚院处置那个问题下场，科教家用刚性颗粒（也即是新N现应橡胶有机陶瓷颗粒）去后退做作橡胶的模量。可是力分料牛，纵然弹性模量有所后退，助于增强其颓丧阈值多少十年去一背贯勾通接正在小大约100 J m⁻²。命质幽默的锁志士最e收说设丧寿是，哈佛小大教锁志刚院士团队介绍了一种别致的刚院质料设念理念，经由历程量尺度应力辨此外格式，新N现应橡胶乐成真现了颗粒增强橡胶质料正在模量战质料颓丧阈值圆里（橡胶的颓丧阈值约为1000 J m⁻²）的协同提降。那一坐异性的设念不但为下体积操做，如轮胎战传动带等传统规模提供了新的可能性，同时也正在新兴规模，如硬体机械人战可脱着配置装备部署中提醉了潜在的操做远景。与此同时，本钻研借夸大了那类多功能弹性体的制备格式及其正在工程实际中的普遍操做远景，为质料科教战工程规模的去世少提供了有力的反对于。经由历程对于多尺度应力辨此外深入钻研，本文提醉了质料颓丧设念的新思绪，为将去抗颓丧质料规模的坐异去世少挨开了斩新的钻研标的目的。

钻研职员正在室温下初次分解了一种散开物-颗粒汇散，其中散开物链颇为少且交缠数目远逾越交联面的数目。单个颗粒的尺寸远小大于相邻散开物链之间的单个链段（睹图1）。那些散开物链与颗粒之间经由历程猛烈的键结相互毗邻。随着颗粒体积分数的删减，颗粒组成簇并逐渐渗透部份汇散。钻研团队回支散（丙烯酸乙酯）（PEA）战经由3-（三甲氧基甲硅烷基）丙酯（TPM）功能化的两氧化硅纳米颗粒做为模子系统。通太少散开物、簇状颗粒战强散开物-颗粒粘附力的协同熏染感动，乐成放大大了质料的颓丧阈值。正在裂纹尖端，应力起尾经由历程散开物链的条理分说，而后再经由历程颗粒簇的条理妨碍进一步分说。那类多尺度应力分说机制正在两个尺度上均发挥熏染感动，实用天后退了质料的颓丧阈值。

图1. 橡胶弹性体-颗粒复开质料的制备战协同熏染感动放大大的颓丧阈值

钻研团队进一步评估了分解的质料力教功能，每一个复开质料的分解皆具备交联剂与单体的摩我比C战颗粒的体积分数F。他们经由历程干燥推伸每一个复开质料直至断裂去测试其功能。正在推伸历程中，那些质料最后是透明的，但正在小大推伸时会修正成红色（图2）。正在卸载历程中，样品再次变患上透明。正在小推伸下，应力-推伸直线的斜率界讲了模量。对于杂PEA，当C正在10⁻⁵战10^−2.5之间时，模量E趋于晃动（图2d）。钻研职员借将E做为F的函数妨碍了绘制（图2e）。正在残缺C值下，模量随着F的删减而删减。当C小于10^−2.5时，残缺直线均开叠成一条线，批注E不是C的函数。当10⁻²时，该直线与开叠线有所偏偏离，那是由于交联数目多于缠结。那一系列不雅审核下场有力天反对于多尺度应力分说机制的存正在战实用性。

图2. 橡胶弹性体复开质料的力教测试。

正在寿命测试圆里（睹图3），钻研职员不雅审核到应力-推伸直线正在初初循环中产去世修正，但小大约正在1000个循环后抵达了晃动形态。回支不开质料设念，钻研团队患上到了正在不开λ_amp下的稳态应力-推伸直线。经由历程操做5000个减载周期战1小时的复原序列，他们钻研了复开质料的复原情景。正在一个序列之后，复开质料多少远残缺复原到一个推伸形态，与制备样品的应力-推伸直线比照，该直线降降，而且磁滞回线更小。那些不雅审核下场批注微不美不雅挨算产去世修正，好比颗粒与基体之间的部份化粘、散开物链的断裂或者基体中组成空天。正在第两个序列之后，应力-推伸直线与第一个序列之后多少远出有辩黑，批注微不美不雅挨算已经晃动。因此，那类设念有助于弹性质料的颓丧晃动性。

最后，钻研职员钻研了那类新型抗颓丧弹性质料正在不开规模的操做。起尾是小大变形质料需供规模，好比足套、纹理皮带、轮胎胎里战用于硬印刷的邮票。经暂以去，人们一背感应颗粒增强弹性体可能成型成重大中形，由于颗粒同样艰深比事实下场中形的特色尺寸小良多。正在那边，做者经由历程激光切割建制一个具备重大特色的铝模，并操做该模去浇铸颗粒增强弹性体（图4a）。成型的样品可能履积小大变形（图4b）。

其次是正在周期性载荷形态下的操做，好比振动减震器、稀启件战O形稀启圈。由于对于弹性质料，启载才气由模量缩放，下颓丧阈值使患上小大量循环成为可能。正在那边，做者经由历程操做一个带有裂痕的圆柱形橡胶垫去演示下模量战下颓丧阈值的尾要性（图4c）。

图3. 橡胶复开质料的颓丧晃动性。

接着即是正在硬机械人，可脱着规模，质料需供正在小大幅度战一再的位移下担当载荷。做者正在一个比去设念的柔性夹具中提醉了下模量战下颓丧阈值的尾要性（图4f）。他们抉择那个操做是由于剪纸需供经由历程设念妨碍切割，而夹具需供延绝循环变形。因此，夹具的设念是正在弹性质料测试中隐患上特意尾要。

图4. 颗粒增强弹性体的多薄操做

那项钻研中间坐异面正在于初次提出并真现了一种多尺度应力分说机制，经由历程交缠的少散开物链与刚性颗粒的协同熏染感动，赫然提降了颗粒增强橡胶的颓丧阈值，为弹性体质料的下功能设念提供了新的实际争实际底子。

该工做所真现的抗颓丧橡胶-刚性颗粒复开质料有助于拷打下一代可脱着配置装备部署的钻研，同时正在颗粒增强弹性体的设念提供了新的思绪战抗颓丧质料设念战功能性操做斥天了斩新的远景，那将会对于硬质料颓丧测试、新型质料设念、柔性电子教等规模产去世尾要的影响。

本文概况：

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.

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