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摘要

  提高材料阻礙裂紋擴(kuò)展的能力是設(shè)計(jì)承載材料的一個重要目標(biāo)。在單次加載下，這種能力由韌性（toughness）表征；而在循環(huán)加載下，這種能力由疲勞門檻值（threshold）表征。提高材料韌性的方法有很多，但這些方法很難同時提高材料的疲勞門檻值。例如，應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶和無機(jī)填料等將天然橡膠的韌性提高到了10000 J/m²以上，但仍將疲勞門檻值限制在50 J/m²左右。近日，哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組提出了一種設(shè)計(jì)可拉伸抗疲勞材料的一般原則。為了展示這個原則，研究者們將單向排布的可拉伸軟纖維嵌入到更軟且拉伸性能更好的基體中，纖維與基體之間有足夠強(qiáng)的界面粘接。當(dāng)對具有預(yù)制裂紋的復(fù)合材料施加周期載荷時，軟基體產(chǎn)生較大的剪切變形從而使纖維的拉伸變形擴(kuò)大到一個很長的區(qū)域。基于這個原則，研究者們獲得了1290 J/m²的疲勞門檻值。該值顯著大于任何一種單一成分的韌性。上述設(shè)計(jì)可拉伸抗疲勞材料的原則是通用的，可以用于各種材料、纖維布局和制備方法，為眾多應(yīng)用開辟了廣闊的設(shè)計(jì)空間。

緒論

  可拉伸材料，如高彈體、水凝膠、有機(jī)凝膠、離子凝膠及其混合物等，具有極其廣泛的應(yīng)用。在很多應(yīng)用場合中，這些材料主要用于承載。因此，它們必須同時具有較大的彈性模量和較強(qiáng)的阻礙裂紋擴(kuò)展的能力，即具有較高的韌性和疲勞門檻值。在材料設(shè)計(jì)中，目前有兩大挑戰(zhàn)亟待解決。

  第一個挑戰(zhàn)是，提高材料韌性的方法很難同時提高材料的疲勞門檻值。圖1所示為多種材料疲勞門檻值與韌性之間的大致關(guān)系。其中，對角線表示材料的疲勞門檻值與韌性相同。這種理想狀態(tài)刻畫了沒有增強(qiáng)相的材料的行為，如陶瓷等。而一般用于承載的材料，如塑料、金屬、高彈體和水凝膠等，具有天然的或人工的增強(qiáng)相，從而使其特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在對角線以下，即這些材料具有較高的韌性和較低的疲勞門檻值。對于大多數(shù)韌性材料，疲勞門檻值一般比韌性低一至兩個數(shù)量級。

圖1. 多種材料疲勞門檻值與韌性之間的大致關(guān)系

  第二個挑戰(zhàn)是，共價高分子網(wǎng)絡(luò)不能同時實(shí)現(xiàn)高的彈性模量和強(qiáng)的裂紋擴(kuò)展阻力。隨著每條分子鏈上單體數(shù)目n的增加，韌性Γ和疲勞門檻值Γ_th增加（Γ~Γ_th~n^1/2），但是彈性模量μ降低（μ~n^-1）。

設(shè)計(jì)原則

  為了同時解決這兩個挑戰(zhàn)，研究者們提出了一種設(shè)計(jì)可拉伸抗疲勞材料的一般原則：將單向分布的可拉伸軟纖維嵌入到更軟且拉伸性能更好的基體中，纖維與基體之間具有足夠強(qiáng)的界面粘接。這一原則有4個要求：（1）基體的硬度應(yīng)遠(yuǎn)小于纖維；（2）纖維與基體之間的界面粘接應(yīng)足夠強(qiáng)；（3）基體應(yīng)能承受較大的剪切變形；（4）纖維的特征尺寸應(yīng)足夠大。如圖2所示，當(dāng)對具有預(yù)制裂紋的復(fù)合材料施加周期載荷時，軟基體產(chǎn)生較大的剪切變形從而使纖維的拉伸變形擴(kuò)大到一個很長的區(qū)域。因此，相較于均勻材料，復(fù)合材料需要更多的能量來擴(kuò)展裂紋。在基體消失的極端情況下（如鋼絲繩），所有的纖維共同分擔(dān)外載，從而使復(fù)合材料剩余部分完全不受預(yù)制裂紋的影響。

  這一設(shè)計(jì)原則打破了裂紋擴(kuò)展阻力和彈性模量之間的矛盾。纖維和基體具有不同的高分子鏈長度：基體的高分子鏈較長，因而具有較低的彈性模量和較高的疲勞門檻值；而纖維的高分子鏈較短，因而具有較高的彈性模量和較低的疲勞門檻值。較軟的基體承受較少的載荷，并在不產(chǎn)生扭結(jié)裂紋（Kink crack）的情況下，在預(yù)制裂紋尖端承受較大的剪切變形。由于軟基體能分散纖維中的應(yīng)力，使復(fù)合材料的疲勞門檻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纖維。較強(qiáng)的界面粘接能阻礙界面脫粘與滑移，從而使復(fù)合材料能承受較大的拉伸變形。

圖2. 設(shè)計(jì)可拉伸抗疲勞材料的一般原則。（a）未變形狀態(tài)。復(fù)合材料具有一個預(yù)制裂紋。一小塊基體材料用紅色方框標(biāo)記。（b）變形狀態(tài)。當(dāng)外載拉伸復(fù)合材料時，基體產(chǎn)生大的剪切變形，從而將紅色的正方形變成平行四邊形，并將裂紋變鈍，使纖維的拉伸變形擴(kuò)大到一個很長的區(qū)域。較強(qiáng)的界面粘接阻礙纖維和基體的滑移與分離。

結(jié)果與討論

  上述設(shè)計(jì)可拉伸抗疲勞材料的原則是通用的，可以用于各種材料、布局和制備方法，只要各組分滿足上述基本要求。在實(shí)驗(yàn)中，研究者們通過將聚二甲基硅氧烷（PDMS）高彈體纖維嵌入到聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠基體中來展示這一設(shè)計(jì)原則。高彈體的剪切模量（401.35 kPa）大約比水凝膠（2.73 kPa）高兩個數(shù)量級。高彈體在伸長率約為2（即應(yīng)變?yōu)?strong>100%）時發(fā)生斷裂，而水凝膠在伸長率約為10時斷裂。高彈體是疏水的，不從水凝膠中吸收水分，因此這兩種材料組成的復(fù)合材料時穩(wěn)定的。 

  對一片典型的具有預(yù)制裂紋的復(fù)合材料試樣施加周期載荷。如圖3所示，在能量釋放率幅值為1290 J/m²時，該復(fù)合材料試樣在30000個循環(huán)后仍不發(fā)生破壞。作為對比，高彈體的韌性為365 J/m², 水凝膠的韌性為1142 J/m²，復(fù)合材料的韌性為4136 J/m²。 

圖3. 在能量釋放率為1290 J/m²的循環(huán)載荷下，復(fù)合材料的幾張典型照片。未變形狀態(tài)的復(fù)合材料有一個預(yù)制裂紋。當(dāng)對試樣施加循環(huán)載荷時，預(yù)制裂紋在前幾千個循環(huán)內(nèi)向最近的纖維緩慢擴(kuò)展。裂尖到達(dá)最近的纖維附近后，裂紋完全停止擴(kuò)展。

  研究者們也分別測試了高彈體、水凝膠和復(fù)合材料的疲勞損傷特性。如圖4所示，在前幾個循環(huán)內(nèi)，材料有輕微的損傷，但材料屬性在隨后的循環(huán)中不發(fā)生明顯的變化。這表明，當(dāng)前的復(fù)合材料具有較好的疲勞損傷抗性。 

圖4. 不同材料在循環(huán)載荷下的應(yīng)力-伸長率曲線：（a）水凝膠，（b）高彈體，（c）復(fù)合材料。（d）單位體積耗散能與循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系。

圖5. 復(fù)合材料三種典型的破壞模式：（a）纖維斷裂；（b）裂紋扭結(jié)；（c）基體破壞。

  在較大幅值的循環(huán)載荷下，復(fù)合材料可能會發(fā)生幾種典型的破壞模式，包括纖維斷裂、裂紋扭結(jié)和基體破壞，如圖5所示。對于纖維較軟且可拉伸性能較好的復(fù)合材料，其破壞模式主要是纖維斷裂。研究者們對一批相同的復(fù)合材料試樣分別施加不同幅值的循環(huán)載荷，然后記錄每個試樣發(fā)生纖維斷裂時的循環(huán)數(shù)。當(dāng)能量釋放率為4441 J/m²時，復(fù)合材料中某一根纖維在第一個循環(huán)內(nèi)發(fā)生斷裂，如圖6（a）所示。在較小的能量釋放率下，復(fù)合材料能承受更多的循環(huán)數(shù)，如圖6（b）和（c）所示。如果能量釋放率進(jìn)一步減小，復(fù)合材料將在有限的循環(huán)數(shù)內(nèi)不發(fā)生破壞，如圖6（d）和（e）所示。研究者們整理了能量釋放率與復(fù)合材料發(fā)生破壞時的循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系，如圖6（f）所示。通過這個關(guān)系，可以定義韌性和疲勞門檻值。其中，韌性為導(dǎo)致材料在第一個循環(huán)內(nèi)破壞的能量釋放率；材料不發(fā)生破壞的最大能量釋放率為疲勞門檻值，即上述曲線的漸近線。

圖6. （a-e）不同能量釋放率下，具有預(yù)制裂紋的復(fù)合材料發(fā)生破壞時的循環(huán)數(shù)。（f）能量釋放率與復(fù)合材料發(fā)生破壞時的循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系。其中，紅色實(shí)線為趨勢線。

  若將復(fù)合材料基體換成延展性較差的水凝膠，則其會在相同的能量釋放率（1290 J/m²）下發(fā)生裂紋扭結(jié)，如圖7所示。 

圖7. 基體可拉伸性較差的復(fù)合材料的疲勞行為。

  類似地，若將復(fù)合材料的特征尺寸減小（纖維間距從3.75 mm降低至1.5 mm，纖維數(shù)量從16增加至40，纖維含量不變），該復(fù)合材料也會在相同的能量釋放率（1290 J/m²）下發(fā)生裂紋扭結(jié)，如圖8所示。在相同的能量釋放率下，較小的特征尺寸導(dǎo)致裂尖較大的剪切變形。

圖8. 特征尺寸較小的復(fù)合材料的疲勞行為。

  當(dāng)纖維與基體之間的界面粘接較弱時，復(fù)合材料發(fā)生基體破壞。研究者們制備了兩組復(fù)合材料，其中一組有很強(qiáng)的界面粘接，另一組的界面粘接較弱。除了界面粘接外，兩組復(fù)合材料的其它屬性完全相同。這兩組復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的應(yīng)力-伸長率關(guān)系，如圖9（a）和（b）所示。強(qiáng)界面粘接復(fù)合材料的韌性約為弱界面粘接復(fù)合材料的4倍，如圖9（c）所示。其機(jī)理在于，弱界面粘接不能有效地阻止預(yù)制裂紋的擴(kuò)展。

圖9. 纖維與基體界面粘接的影響。（a）具有預(yù)制裂紋的試樣；（b）無預(yù)制裂紋的試樣；（c）韌性。

  綜上，本工作提出了一種設(shè)計(jì)可拉伸抗疲勞材料的一般原則：將單向排布的可拉伸軟纖維嵌入到更軟且拉伸性能更好的基體中，纖維與基體之間具有足夠強(qiáng)的界面粘接。基于這個原則，可以設(shè)計(jì)出具有較高疲勞門檻值的材料，同時打破了彈性模量與材料韌性/疲勞門檻值之間的矛盾。并且，這一原則不需要特定的材料、纖維布局和制備方法，因此為眾多應(yīng)用提供了廣闊的設(shè)計(jì)空間。

  這一研究工作最近發(fā)表于Materials Today。論文的第一作者為項(xiàng)春平，西安交通大學(xué)博士研究生，以國家公派聯(lián)合培養(yǎng)研究生身份在哈佛大學(xué)工學(xué)院交流學(xué)習(xí)期間完成相關(guān)研究工作；合作者包括：王正錦博士，哈佛大學(xué)工學(xué)院博士后；楊燦輝博士，在哈佛大學(xué)工學(xué)院做博士后期間完成相關(guān)研究工作，現(xiàn)為南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系助理教授；姚晰博士，在哈佛大學(xué)工學(xué)院做博士后期間完成相關(guān)研究工作，現(xiàn)為河南大學(xué)特種功能材料實(shí)驗(yàn)室特聘教授；王葉成博士，哈佛大學(xué)工學(xué)院博士后。美國科學(xué)院院士、美國工程院院士、哈佛大學(xué)鎖志剛教授為通訊作者。

  論文信息及連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119307606

南方科技大學(xué)楊燦輝團(tuán)隊(duì)招收碩、博士研究生、博士后

  南方科技大學(xué)楊燦輝助理教授目前正在組建新團(tuán)隊(duì)，招收碩、博士研究生、博士后等，和搭建新實(shí)驗(yàn)室；研究方向包括軟物質(zhì)材料力學(xué)行為，水凝膠器件，軟材料粘接，新型軟材料設(shè)計(jì)與制備，柔性傳感器與驅(qū)動器等。歡迎對相關(guān)研究方向感興趣的同學(xué)郵件聯(lián)系：yangch@sustech.edu.cn。請?jiān)卩]件中做必要的自我介紹。