哈佛大学锁志刚教授课题组:弹性耗散对软材料断裂韧性的影响
软材料的断裂韧性以及滞后性通常具有正相关性,如双网络韧性水凝胶。断裂韧性指软材抵抗裂纹扩展的能力,即产生单位裂纹表面所需要的能量。滞后性指的是软材料在拉伸和恢复过程中所消耗的能量。最近的研究发现,弹性耗散使得软材料同时具有高断裂韧性和低滞后性。如天然橡胶以及最近发表的具有高韧性和低滞后的可拉伸复合材料。
1
弹性耗散体
经典的Lake-Thomas模型认为弹性体的断裂是由于穿过裂纹面的单层分子链的断裂所引起。如图一所示,当裂纹靠近时,分子链被逐渐拉伸至极限状态,发生断裂。分子链的断裂所释放的弹性能贡献了弹性体的本征断裂韧性(intrinsic toughness)。这一单层分子链为弹性耗散体。根据这一模型,Lake & Thomas提出了弹性体本征断裂韧性的理论预测
图一:Lake-Thomas模型。弹性体的断裂是由于穿过裂纹面的单层分子链的断裂所引起。存储在分子链中的弹性能由于链的断裂而释放,并且贡献了材料的本征断裂韧性。这一单层分子链为弹性耗散体。
2
90度剥离实验
研究人员通过剥离具有不同厚度的丙烯酰胺水凝胶来验证他们的猜想。如图二所示,丙烯酰胺水凝胶被牢固的粘接在玻璃基底与柔性不可拉伸的聚酯薄膜之间,水凝胶随着聚酯薄膜以与基底呈90度的角度被剥离开。在恒定的剥离速度之下,剥离位移随着时间线性增加。在起裂阶段,剥离力随着时间递增,当裂纹稳定扩展时,剥离力也趋于稳定。稳定的剥离力除以水凝胶的厚度即为丙烯酰胺水凝胶的断裂韧性。图二:(a)90度剥离实验示意图。(b)恒定的剥离速度之下,剥离位移随着时间线性增加。(c)起裂阶段,剥离力随着时间递增,当裂纹稳定扩展时,剥离力也趋于稳定。
水凝胶的厚度为剥离实验中的唯一长度尺度,当厚度h小于丙烯酰胺水凝胶的fractocohesive length时,断裂过程区贯穿整个试样厚度;当h大于fractocohesive length时,断裂过程区在厚度方向的长度尺度为fractocohesive length。因此可以通过改变试样的厚度来控制断裂过程区的大小。在剥离实验中,研究人员采用了厚度为0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 1.5, 3.0, 4.5mm的丙烯酰胺水凝胶,同时统一了裂纹尖端材料的变形率v/h为100/min,其中v为剥离速度,h为试样的厚度。图三:具有不同厚度的丙烯酰胺水凝胶的剥离实验结果。
研究人员将裂纹稳定扩展时的剥离力在剥离位移上进行平均,得到了平均的剥离力,并将剥离力除以试样的宽度,得到了水凝胶的断裂韧性。如图四所示,丙烯酰胺水凝胶的断裂韧性与试样厚度相关,当厚度小于~1mm时,断裂韧性随厚度以斜率为1.87x105J/m3线性递增;当试样厚度大于~1mm时,断裂韧性随厚度保持不变。这一临界厚度与丙烯酰胺水凝胶的fractocohesive length相当(Canhui Yang et al., JMPS, 2019)。研究人员将实验结果插值外推得到厚度为0,得到剥离实验的阈值为7.9J/m2,并且发现这一阈值跟丙烯酰胺水凝胶在周期载荷下的疲劳断裂阈值相当,并且这两个阈值都和Lake-Thomas模型的理论预测值12.4J/m2接近。
图四:丙烯酰胺水凝胶断裂韧性和试样厚度的关系。当试样厚度小于~1mm时,断裂韧性随厚度以斜率为1.87x105J/m2线性递增;当试样厚度大于~1mm时,断裂韧性随厚度保持不变。将实验结果插值外推得到厚度为0,得到剥离实验的阈值为7.9J/m2。
3
讨论
在90度撕裂实验中,裂纹前端的水凝胶在宽度方向的变形被基底与聚酯薄膜所束缚,而只能沿着高度和裂纹面的方向发生变形。为了模拟这种变形模式,研究人员将一块宽度远大于其厚度和高度方向的水凝胶沿着高度方向进行拉伸。水凝胶在被拉伸时,其宽度方向的变形被其两端硬质的夹片所限制,而只能在厚度方向与拉伸方向发生变形。
丙烯酰胺水凝胶的拉伸的速率与剥离实验中水凝胶裂纹尖端的变形速率相同,都为100/min。研究人员首先将水凝胶拉伸至断裂,得到其断裂功为(1.51±0.23)x105J/m3,极限伸长率为11.08±0.82,如图五所示。图五:丙烯酰胺水凝胶被拉伸直至断裂破坏的应力应变曲线。
随后研究人员对丙烯酰胺水凝胶进行加卸载,得到丙烯酰胺水凝胶在加卸载中所消耗的能量为(2.15±0.08)x104J/m4(加卸载曲线所围成的面积)。其中加载的最大应变为10,接近水凝胶的极限伸长率。丙烯酰胺水凝胶的能量耗散远远小于其断裂功,说明外力所做的功绝大部分以弹性能的形式存储在了丙烯酰胺水凝胶中,而耗散的能量却很少。
图六:丙烯酰胺水凝胶加卸载曲线。
研究人员发现,在90度剥离实验中所得到的斜率约等于丙烯酰胺水凝胶的断裂功。因此将丙烯酰胺水凝胶的断裂韧性写为
研究人员考虑了90剥离实验中裂纹面附近的三个物质点A, B, C,如图七(a)所示。裂纹尖端传过C点,到达B点,前往A点。A, C两点未变形,B点发生大变形,相应的变形状态如图七(b)所示。断裂功
图七:推广的Lake-Thomas模型。(a)考虑在裂纹面附近的三个物质点A, B, C。裂纹尖端传过C点,到达B点,前往A点。A, C两点未变形,B点发生大变形,相应的变形状态如(b)所示。断裂功
图八:(a) 具有高模量的纤维和低模量的基底通过强界面粘接形成了具有高韧性和低滞后的可拉伸复合材料。(b)基底,纤维,以及复合材料的滞后曲线。(ZJ Wang et al., PNAS, 2019)
这种复合材料还具有超过1000 J/m2的疲劳断裂韧性(Chunping Xiang el al., Materials Today, 2019)。在周期载荷的作用下,裂纹尖端处的纤维被周期性地拉伸卸载。当纤维的变形程度小于其疲劳断裂阈值时,纤维可以被无线次地反复拉伸并阻止裂纹的扩展。当纤维的变形程度大于其疲劳断裂阈值时,纤维在一定次数的周期加载下断裂。因此,纤维的疲劳断裂阈值给予了复合材料超过1000J/m2的疲劳断裂韧性。
4
小结
本工作以丙烯酰胺水凝胶为例,研究了弹性耗散对软材料断裂韧性的贡献。研究人员发现,断裂过程区中的非弹性变形所消耗的能量(如短链的破坏,粘弹性耗能等),以及由裂纹扩展所导致的断裂过程区中弹性能的释放都贡献了软材料的断裂韧性。研究人员将后者称为弹性耗散。丙烯酰胺水凝胶为弹性耗散体,其断裂韧性主要由弹性耗散所贡献。研究人员给予进一步解释了弹性耗散在设计具有低滞后,高韧性,以及抗疲劳的可拉伸复合材料中所发挥的作用。论文连接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509619307082
相关进展
哈佛大学锁志刚教授课题组《Materials Today》:抗疲劳材料设计一般原则
哈佛大学锁志刚教授和Robert D. Howe教授课题组合作:应用于软机器的贴附式大变形传感器
哈佛大学锁志刚教授课题组:可聚合、交联和表面粘接进程分离的新型水凝胶漆
哈佛大学锁志刚教授课题组:玻璃态分子链拓扑装订——强粘接低疲劳的透明可拉伸界面
哈佛大学锁志刚教授与浙江大学汪浩教授EML:一种凝胶脑机接口
美国哈佛大学锁志刚教授课题组:网络缺陷对软材料力学性能的影响
哈佛大学锁志刚教授课题组与西安交大软机器实验室合作研发水凝胶的可降解强韧粘接技术
哈佛锁志刚教授课题组与西安交大软机器实验室合作《Adv. Funct. Mater.》:研发软结构复合3D打印中的强韧粘接技术
哈佛大学锁志刚教授课题组与西安交大软机器实验室合作研发光响应可拆卸粘接技术
哈佛大学锁志刚教授课题组:设计分子拓扑结构达到强力干-湿材料粘接
哈佛大学锁志刚教授课题组综述 “水凝胶粘接:一种高分子化学,拓扑结构,和耗散机制的协同作用”
哈佛大学锁志刚教授课题组和麻省大学Ryan Hayward课题组:毛细弹性褶皱
哈佛大学锁志刚教授课题组《PNAS》:设计高韧性、低滞后性的可拉伸材料
加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授和哈佛大学锁志刚教授合作:高性能水凝胶化学传感器
哈佛大学锁志刚教授课题组报道可拉伸密封层:同时实现可拉伸,低韧性和低可透性
哈佛大学锁志刚教授和Joost J. Vlassak 教授合作研制高度可拉伸、抗冻韧性水凝胶
哈佛大学锁志刚教授课题组首次报道含水材料拓扑粘接法“分子缝合”
哈佛大学锁志刚教授课题组报道软材料原位粘接法:适用于性质各异的软材料、任意加工工艺
美国哈佛大学锁志刚教授课题组首次报道基于水凝胶的可拉伸液晶器件
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享,刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn
关注高分子科学技术 👉
长按二维码关注
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群,请先加审核微信号PolymerChina
(或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。
这里“阅读原文”,查看更多