北达科他州立大学夏文杰教授团队《Matter》：粘性对褶皱片材力学强度的影响

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固体泡沫是一种非常有效的承重材料，但是，其复杂的制备工艺和昂贵的材料成本，使得固体泡沫在工程中的应用受到很大的限制。几乎任何材料都可以制成薄片，然后揉成球状的褶皱结构，而这种皱缩结构正是构成轻质结构材料的基础。随着薄片被揉成褶皱的球状，它的抗压能力也越来越强。不幸的是，目前还不清楚如何预测一个给定的皱褶到底能够承受多大的压缩，这表明目前的研究可能忽略了其基本的物理过程。

近期，美国北达科他州立大学(North Dakota State University)夏文杰教授团队及其合作者在《Matter》上发表了题为“Sticky crumpled matter”的论文，该工作研究了材料的粘性（附着力）对皱缩片材整体抗压强度的影响。该团队基于旋涂、滴注成型的方法以及改变预聚物和交联剂的比例，制备了具有不同粘性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄片。利用单轴压缩实验装置记录了褶皱PDMS薄片在压缩过程中两板的力与间距的变化（图1A和B），并通过对力-间距曲线进行拟合分析便得到了褶皱片材的有效模量。此外，该团队通过分子动力学模拟研究了纳米尺度下片材粘性对其有效模量的影响（图1C和D）。研究发现，当粘附力存在时，系统的压缩强度增加，但不直接取决于粘附力的大小；在一个压缩周期内做的功直接取决于粘附力的大小；需要一个新的长度尺度来描述粘性和非粘性皱缩物质之间的交联关系。

图1. 褶皱片材单轴压缩实验和分子动力学模拟示意图及两板间力与间距的关系。

图2总结了具有不同粘附性的褶皱片材的平均有效模量。在实验中，粘性褶皱片材的有效模量比无粘性褶皱片材的高约一个数量级。此外，分子动力学模拟结果支持了实验得到的有效模量的变化趋势。可以看出，材料粘性对皱缩片材有效模量的影响在宏观和纳米尺度上都是有效的。

图2. 具有不同粘性的褶皱片材的有效模量。

为了更好地理解皱缩板的内部结构对其有效模量的影响，论文分别分析了单轴压缩模拟前和模拟过程中具有不同粘性的皱缩片材的横截面模式（图3）。可以发现，粘性的皱缩模型的横截面呈现有更多的片状结构，横截面更有序。这是因为二维片材在皱缩成三维球形结构的过程中，由于粘附而发生了明显的自折叠，导致内部结构更加有序。片材的粘性会影响皱缩片材的内部结构（随着粘性的增加，有序程度也会增加）。论文的第二作者廖杨超（博士研究生）表示，片材的尺寸和长宽比也会对褶皱片材的横截面模式产生影响，这有待于进一步的研究讨论。

图3. 具有不同粘性的褶皱片材在单轴压缩模拟中的横截面图。

图4显示了在单轴压缩模拟前，无粘性和粘性的褶皱片材的应力、应变和曲率分布（局部的应力、应变和曲率被映射到一个二维平面模型上）。可以看出，高应力区域与高压缩和拉伸应变区域以及高曲率区域紧密对应，而粘性褶皱片材的应力和应变的分布网络略显密集。在压缩模拟过程中，无粘性模型的局部应力、应变和曲率，以及粘性片材的曲率似乎没有明显的变化。有趣的是，粘性片材的局部应力和应变（特别是压缩应变）急剧增加，并凝聚成一个“密集”的网络。这表明，在单轴压缩模拟过程中，粘性褶皱片材的应变与应力有关联，而其曲率与应力的关联性最小。

图4. 具有不同粘性的褶皱片材在单轴压缩模拟中的局部冯-米塞斯应力、应变和曲率分布图。

综上所述，该工作通过实验和分子动力学模拟的方法，研究了片材的粘性对其褶皱结构抗压性能的影响。该工作有助于更好地设计基于褶皱片材的结构，并可能使得人们更好地理解发生在复杂褶皱结构中的基本物理过程。此外，分子动力学模拟表明，粘性对褶皱片材的影响在宏观和纳米尺度上一致。粘性驱动能量拉伸片材并使能量失焦，但不改变基本的褶皱结构。该论文作者美国北达科他州立大学博士研究生廖杨超和李兆凡执行了分子动力学模拟相关的研究和分析。该工作是团队近期关于粘性对褶皱片材抗压性能影响的最新进展之一。在过去的一年中，团队还分别研究了片材的尺寸（Carbon, 2021, 174, 148-157）、粘性（Langmuir, 2021, 37, 28, 8627-8637）和缺陷（Forces in Mechanics, 2022, 6, 100057）对其褶皱行为的影响。

原文链接：
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00181-3

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