中国科大龚兴龙教授课题组《Polymer》：混合双网络弹性体断裂行为的分子动力学研究
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弹性体材料软体机器人、柔性可穿戴电子设备中有着广阔的应用前景。弹性体增韧是当前研究的热点问题，是决定产品应用可靠性和使用寿命的关键。近年来，基于双网络弹性体增韧机制广受关注。一般而言，双网络弹性体由两种性质差异极大的网络互穿而成：一个网络硬而脆；另一网络软且拉伸。在变形过程中，脆性网络发生内部断裂而耗散大部分能量，从而延缓了裂纹扩展的发生，提高了弹性体的韧性，双网络理论为弹性体材料增韧提供了新的思路。
近日，中国科学技术大学龚兴龙教授团队在《Polymer》上发表了题为“Fracture behaviors of double network elastomers with dynamic non-covalent linkages: A molecular dynamics study”的论文。研究工作通过调节部分链段间非共价相互作用强度向脆性网络体系中引入物理交联点，构建了物理/化学混合交联网络的粗粒化模型（图1），利用粗粒化分子动力学方法对混合双网络弹性体的断裂变形行为及其微结构演化进行了模拟。从弹性体平衡结构可以看出，以物理交联相互作用的分子链段通过簇的形式存在于弹性体内部，在变形过程中起到能量吸收的作用（图2）。弹性体进入屈服后，物理交联构成的分子簇开始分解（图3），同时弹性体内孔洞开始形成，随变形孔洞逐渐长大进而合并（图4）。当物理交联分子簇分解完成，化学交联网络开始起变形主导作用，直至化学网络中的共价键断裂，弹性体失去承载能力。研究结果表明，当分子链段间物理相互作用增强时，与之相关的分子簇分解会耗散更多的能量，从而有助于进一步提高增韧效果。
图1 模型及准备过程
图2 混合双网络弹性体的平衡结构
图3 混合双网络弹性体的簇结构演化
图4 混合双网络弹性体的孔洞结构演化
综上，该工作从微观结构演化的角度对混合双网络弹性体断裂过程进行了分析，为高韧性弹性体的设计提供了重要的理论依据。论文第一作者为中国科大工程科学学院博士研究生赵睿祺，通讯作者为中国科大工程科学学院龚兴龙教授和王宇副教授。该研究得到了国家自然科学基金项目的资助和支持。
原文链接：
Ruiqi Zhao, Yu Wang, Xinglong Gong, Fracture behaviors of double network elastomers with dynamic non-covalent linkages: A molecular dynamics study, Polymer (2022) 124670.
https://doi.org/10.1016/j.polymer.2022.124670
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