可拉伸材料（如彈性體、水凝膠、有機凝膠和離子凝膠）在組織修復、藥物輸送、機器人、離子電子、生物電子、合成生物學，以及可穿戴設備中都有廣泛應用。當這些材料承受負荷時，必須能抵抗裂紋的增長以防止材料失效，這種性能可以用單調載荷下的韌性Γ和循環(huán)載荷下的閾值Γth來衡量。下圖為材料的韌性-閾值表，圖中的對角線表示韌性和閾值相同的材料，例如陶瓷，它們很脆但耐疲勞。大多數(shù)材料，如塑料、金屬、彈性體、水凝膠，多少都有些韌性，因此都位于對角線下面，這些材料韌性好但易疲勞。因此這些韌性材料的閾值通常比韌性低一到兩個數(shù)量級，一個代表性的例子就是天然橡膠，它的韌性一般超過10000 J/m2，但閾值只有可憐的50 J/m2。
成果介紹
基于以上分析，哈佛大學鎖志剛教授課題組提出了一種可以同時提高凝膠材料拉伸性和抗疲勞性的方法。他們將聚二甲基硅氧烷（PDMS）纖維嵌入到更柔軟、可拉伸性更高的聚丙烯酰胺（PAAm）基體材料中，通過稀疏的共價鍵將兩者交聯(lián)在一起，合成了一種凝膠復合材料。發(fā)現(xiàn)單獨的PDMS纖維和PAAm凝膠的韌性只有365 J/m2和1142 J/m2，但是復合材料的韌性則高達4136 J/m2，而且材料循環(huán)30000次后裂紋不再繼續(xù)擴展，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性。研究者認為這種方法具有廣泛的適用性，為高性能凝膠材料的開發(fā)打開了一扇大門。
材料設計原理
柔軟且可拉伸的纖維具有高模量和低閾值的特點，如果基體材料更加柔軟、更加可拉伸，則模量低、閾值高。將兩者通過輕度共價鍵連接在一起形成復合材料，在未變形時，纖維均勻分散在基體中（紅色正方形標記的為部分基體），用刀片將復合材料割上一道裂紋，并施加應力使其拉伸，基體會發(fā)生很大的剪切形變，紅色的正方形就變形為平行四邊形，而且裂紋變鈍，纖維被高拉伸度，復合材料中裂紋的發(fā)展就會更加困難，在材料完全失效之前，所有纖維都能均勻分擔載荷，所以復合材料具有更好的韌性和抗疲勞性能。
復合材料的合成及力學性能測試方法
為了制備出拉伸性高、抗疲勞性好的復合材料，研究者以聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體作為纖維，以聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠作為基體。首先以AAM為單體，在光引發(fā)下制備凝膠；然后將Sylgard 184和固化劑（重量比為10：1）混合制備出0.5mm厚的PDMS薄膜，然后將其切為寬度1 mm~2.5 mm的纖維，將纖維排列成骨架，在其上進行AAM的光固化凝膠反應，最終得到了復合材料。
研究者采用單調載荷來測試復合材料的臨界拉伸、剪切模量和韌性，采用循環(huán)載荷來測試復合材料的疲勞行為，如下圖所示。
為了研究復合材料中裂紋的發(fā)展情況，研究者采用循環(huán)拉伸實驗進行測試，拉伸載荷的振幅為1.725，能量釋放速率為1290 J/m2。發(fā)現(xiàn)預先切割出裂紋的復合材料在最初幾千次循環(huán)后，裂紋僅擴展到了第一根纖維，超過30000個循環(huán)后裂紋不再繼續(xù)擴展。相比之下，復合材料中PDMS纖維的韌性為只有365 J/m2，水凝膠基體的韌性要高一些，達到了1142 J/m2，但是復合材料的韌性則高達4136 J/m2，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。
復合材料抗疲勞性能研究
為了研究材料的抗疲勞性能，研究者進行了循環(huán)載荷測試，發(fā)現(xiàn)如果復合材料中基體比纖維更加柔軟時，纖維斷裂后材料才會失效。當樣品的能量釋放速率低于4441 J/m2時，纖維在第一個循環(huán)中就發(fā)生了斷裂；復合材料在較小的能量釋放速率和幅度下可以承受更多的循環(huán)載荷；如果能量釋放速率和幅度進一步降低，在數(shù)萬次循環(huán)候纖維不會斷裂，復合材料也不會失效。
作為對比，研究者又合成了一種基體水凝膠可拉伸性不高的材料，發(fā)現(xiàn)這種復合材料在能量釋放速率為1290 J/m2的載荷下經(jīng)過6414個循環(huán)后即失效，失效模式為扭結裂紋失效，在邊界處形成扭結裂紋和基體破裂。
研究者增加了纖維的數(shù)量，但保持纖維含量不變（20.3 wt％），以減少復合材料的特征尺寸。發(fā)現(xiàn)在1290 J/m2的能量釋放速率的振幅下，材料在6432個循環(huán)后裂紋發(fā)展到第一根纖維，在10317個循環(huán)后開始出現(xiàn)扭結裂紋，并隨后向上傳播。
纖維-基體粘附強度對材料力學性能的影響
為了研究纖維和基體粘附性大小對材料力學性能的影響，研究者合成了兩組復合材料，其中一組中纖維和水凝膠形成共價交聯(lián)，在另一組中纖維和水凝膠形成非共價鍵作用。發(fā)現(xiàn)這兩組材料表現(xiàn)出不同的應力-拉伸行為，具有強界面粘附性的復合材料的韌性是弱界面粘附性的四倍，而且當纖維和基體的粘附力弱時，復合材料會由于基體的斷裂而失效。
哈佛大學鎖志剛教授課題組合成了一種韌性好、耐疲勞的凝膠復合材料。他們以（PDMS作為纖維，以光固化的丙烯酰胺（AAm）水凝膠作為基體合合成了一種復合凝膠材料。在循環(huán)拉伸實驗中測試了材料的抗疲勞性能，當拉伸載荷的振幅為1.725、能量釋放速率為1290 J/m2時，預先切割出裂紋的復合材料在最初幾千次循環(huán)后，裂紋僅擴展到了第一根纖維，超過30000個循環(huán)后裂紋不再繼續(xù)擴展，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。雖然PDMS纖維和水凝膠基體的韌性為只有365 J/m2和1142 J/m2，但是經(jīng)過共價鍵結合后復合材料的韌性則高達4136 J/m2。如果基體水凝膠的可拉伸性不高，這種復合材料經(jīng)過6414個循環(huán)后即發(fā)生了扭結裂紋失效；如果增加纖維密度，材料在10317個循環(huán)后同樣因為扭結裂紋而失效。而且纖維和基體的粘附強度要高一些，具有強界面粘附性的復合材料的韌性是弱界面粘附性的四倍。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702119307606
