將橡膠阻力提高10倍登《自然》！哈佛工程師提出增強橡膠疲勞閾值、降低污染的新方法
核心提示：剛性顆粒增強的橡膠使用的范圍相當廣泛，包括輪胎、減震器、皮帶和軟管。許多應用需要高模量來抵抗過度變形，并需要高疲勞閾值來抵抗循環(huán)載荷下的裂紋擴展。然而其疲勞閾值長期以來一直存在瓶頸。以往的研究表明，雖然加入顆粒可以顯著增加橡膠的模量，但對于疲勞閾值的提升效果有限。
剛性顆粒增強的橡膠使用的范圍相當廣泛，包括輪胎、減震器、皮帶和軟管。許多應用需要高模量來抵抗過度變形，并需要高疲勞閾值來抵抗循環(huán)載荷下的裂紋擴展。然而其疲勞閾值長期以來一直存在瓶頸。以往的研究表明，雖然加入顆粒可以顯著增加橡膠的模量，但對于疲勞閾值的提升效果有限。
哈佛大學約翰-保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的科學家們提高了顆粒增強橡膠的疲勞閾值，它們開發(fā)出了一種新的多尺度方法，使這種材料能夠承受高負荷，并在反復使用中抵御裂紋增長。這種方法不僅能延長輪胎等橡膠制品的使用壽命，還能減少橡膠顆粒在使用過程中產(chǎn)生的污染。這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。
改進微粒增強橡膠
近期，哈佛大學鎖志剛院士以及Yakov Kutsovsky教授團隊通過多尺度應力分散來放大顆粒增強橡膠的疲勞閾值。合成了一種橡膠，其中高度纏結(jié)的長聚合物與剛性顆粒牢固粘合。在裂紋尖端，應力在兩個長度尺度上分散：首先通過聚合物，然后通過顆粒。這種橡膠的疲勞閾值約為 1000 J m?2 。由這種橡膠制成的安裝座和夾具可承受高負載，并能在重復操作中防止裂紋擴展。
這種材料兼具高模量（剛度）和高疲勞閾值，為材料設計提供了更多選擇。這種材料是通過在橡膠基體中加入二氧化硅納米顆粒和長聚合物鏈而制成的。這兩種成分的結(jié)合使這種材料能夠承受反復的加載和變形，而不會出現(xiàn)明顯的裂紋增長或失效。這項創(chuàng)新有望應用于軟機器人和抓手設計等領域，因為在這些領域中，材料需要承受大的重復位移載荷。
這是一種由交聯(lián)聚合物鏈網(wǎng)絡和滲流剛性顆粒組成的復合材料，以提高橡膠的疲勞閾值。這種復合材料由長聚合物鏈形成，其中纏繞著大量的交聯(lián)，并與剛性顆粒緊密粘附在一起。該研究以聚丙烯酸乙酯（PEA）和納米二氧化硅顆粒為模型系統(tǒng)，展示了長聚合物、團聚顆粒以及聚合物與顆粒間的強粘附力在放大疲勞閾值方面的協(xié)同效應。
研究發(fā)現(xiàn)，復合材料的模量受顆粒大小和鏈長的影響。當顆粒滲入并形成網(wǎng)絡時，復合材料的模量會顯著增加。此外，較長的聚合物鏈也有助于提高模量。在疲勞閾值方面，研究發(fā)現(xiàn)，較長的聚合物鏈和成團的顆粒會增強復合材料的抗疲勞性。隨著聚合物鏈變長和顆粒聚集在一起，疲勞閾值也隨之升高。顆粒的滲流閾值在提高疲勞閾值方面作用不大。
橡膠工程學的新發(fā)現(xiàn)
在之前的研究中，SEAS 的 Allen E. and Marilyn M. Puckett 力學與材料學教授索志剛領導的研究小組通過延長聚合物鏈和增加纏結(jié)密度，顯著提高了橡膠的疲勞閾值。那么顆粒強化橡膠又如何呢？研究小組在高度糾纏的橡膠中加入了二氧化硅顆粒，他們認為顆粒會增加硬度，但不會影響疲勞閾值，正如文獻中普遍報道的那樣。他們錯了。
SEAS前研究生、論文共同第一作者杰森-斯特克（Jason Steck）說："這真是個驚喜。我們沒想到添加顆粒會提高疲勞閾值，但我們發(fā)現(xiàn)疲勞閾值提高了十倍。Steck 現(xiàn)在是通用電氣航空航天公司的研究工程師。"這種復合材料最初是透明的，但在大拉伸下會變成白色。在固定 C = 10?4 時，純 PEA 的模量為 0.7 MPa，而復合材料的剛度要大得多，在 F = 0.45 時達到 14 MPa 的模量，在固定 F = 0.45 時，應力-拉伸曲線隨 C 變化很大。復合材料顯示出與純 PEA 相同的 C 趨勢，此外，模量隨著 F 的增加而增加。
在哈佛團隊的材料中，聚合物鏈很長而且高度糾纏在一起，而微粒則聚集在一起并與聚合物鏈共價結(jié)合。"事實證明，"論文共同第一作者、前 SEAS 研究生 Junsoo Kim 說，"這種材料能在兩個長度尺度上分散裂縫周圍的應力：聚合物鏈尺度和顆粒尺度。這種組合阻止了材料中裂縫的生長"。Kim 現(xiàn)為美國西北大學機械工程系助理教授。
研究小組在一塊材料上切割出一條裂縫，然后將其拉伸數(shù)萬次，以此證明了他們的方法。在他們的實驗中，裂縫從未擴大。該研究的資深作者索說："我們的多尺度應力分散方法拓展了材料特性的空間，為減少聚合物污染和制造高性能軟機器打開了大門。"
影響和未來應用
隨著科學技術的不斷發(fā)展，對于彈性體材料性能的需求也變得越發(fā)復雜和多樣化。在這一背景下，科學家們不斷探索新型材料設計的可能性，以滿足各種應用的需求。
這一創(chuàng)新性的設計不僅為高體積應用，如輪胎和傳動帶等傳統(tǒng)領域提供了新的可能性，同時也在新興領域，如軟體機器人和可穿戴設備中展現(xiàn)了潛在的應用前景。與此同時，本研究還強調(diào)了這種多功能彈性體的制備方法及其在工程實踐中的廣泛應用前景，為材料科學和工程領域的發(fā)展提供了有力的支持。
這項研究核心創(chuàng)新點在于首次提出并實現(xiàn)了一種多尺度應力分散機制，通過交纏的長聚合物鏈與剛性顆粒的協(xié)同作用，顯著提升了顆粒增強橡膠的疲勞閾值，為彈性體材料的高性能設計提供了新的理論和實踐基礎。該工作所實現(xiàn)的抗疲勞橡膠-剛性顆粒復合材料有助于推動下一代可穿戴設備的研究，同時在顆粒增強彈性體的設計提供了新的思路以及抗疲勞材料設計和功能性應用開辟了嶄新的前景，這將會對軟材料疲勞測試、新型材料設計、柔性電子學等領域產(chǎn)生重要的影響。
哈佛大學技術開發(fā)辦公室駐校專家、論文合著者雅科夫-庫佐夫斯基（Yakov Kutsovsky）說："設計新型彈性材料的傳統(tǒng)方法忽略了利用多尺度應力分散實現(xiàn)高性能彈性材料廣泛工業(yè)用途的這些關鍵見解。這項工作中開發(fā)和展示的設計原則可適用于廣泛的工業(yè)領域，包括輪胎和工業(yè)橡膠制品等大批量應用，以及可穿戴設備等新興應用。"
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_542053.html
來源：賢集網(wǎng)
哈佛大學約翰-保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的科學家們提高了顆粒增強橡膠的疲勞閾值，它們開發(fā)出了一種新的多尺度方法，使這種材料能夠承受高負荷，并在反復使用中抵御裂紋增長。這種方法不僅能延長輪胎等橡膠制品的使用壽命，還能減少橡膠顆粒在使用過程中產(chǎn)生的污染。這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。
改進微粒增強橡膠
近期，哈佛大學鎖志剛院士以及Yakov Kutsovsky教授團隊通過多尺度應力分散來放大顆粒增強橡膠的疲勞閾值。合成了一種橡膠，其中高度纏結(jié)的長聚合物與剛性顆粒牢固粘合。在裂紋尖端，應力在兩個長度尺度上分散：首先通過聚合物，然后通過顆粒。這種橡膠的疲勞閾值約為 1000 J m?2 。由這種橡膠制成的安裝座和夾具可承受高負載，并能在重復操作中防止裂紋擴展。
這種材料兼具高模量（剛度）和高疲勞閾值，為材料設計提供了更多選擇。這種材料是通過在橡膠基體中加入二氧化硅納米顆粒和長聚合物鏈而制成的。這兩種成分的結(jié)合使這種材料能夠承受反復的加載和變形，而不會出現(xiàn)明顯的裂紋增長或失效。這項創(chuàng)新有望應用于軟機器人和抓手設計等領域，因為在這些領域中，材料需要承受大的重復位移載荷。
這是一種由交聯(lián)聚合物鏈網(wǎng)絡和滲流剛性顆粒組成的復合材料，以提高橡膠的疲勞閾值。這種復合材料由長聚合物鏈形成，其中纏繞著大量的交聯(lián)，并與剛性顆粒緊密粘附在一起。該研究以聚丙烯酸乙酯（PEA）和納米二氧化硅顆粒為模型系統(tǒng)，展示了長聚合物、團聚顆粒以及聚合物與顆粒間的強粘附力在放大疲勞閾值方面的協(xié)同效應。
研究發(fā)現(xiàn)，復合材料的模量受顆粒大小和鏈長的影響。當顆粒滲入并形成網(wǎng)絡時，復合材料的模量會顯著增加。此外，較長的聚合物鏈也有助于提高模量。在疲勞閾值方面，研究發(fā)現(xiàn)，較長的聚合物鏈和成團的顆粒會增強復合材料的抗疲勞性。隨著聚合物鏈變長和顆粒聚集在一起，疲勞閾值也隨之升高。顆粒的滲流閾值在提高疲勞閾值方面作用不大。
橡膠工程學的新發(fā)現(xiàn)
在之前的研究中，SEAS 的 Allen E. and Marilyn M. Puckett 力學與材料學教授索志剛領導的研究小組通過延長聚合物鏈和增加纏結(jié)密度，顯著提高了橡膠的疲勞閾值。那么顆粒強化橡膠又如何呢？研究小組在高度糾纏的橡膠中加入了二氧化硅顆粒，他們認為顆粒會增加硬度，但不會影響疲勞閾值，正如文獻中普遍報道的那樣。他們錯了。
SEAS前研究生、論文共同第一作者杰森-斯特克（Jason Steck）說："這真是個驚喜。我們沒想到添加顆粒會提高疲勞閾值，但我們發(fā)現(xiàn)疲勞閾值提高了十倍。Steck 現(xiàn)在是通用電氣航空航天公司的研究工程師。"這種復合材料最初是透明的，但在大拉伸下會變成白色。在固定 C = 10?4 時，純 PEA 的模量為 0.7 MPa，而復合材料的剛度要大得多，在 F = 0.45 時達到 14 MPa 的模量，在固定 F = 0.45 時，應力-拉伸曲線隨 C 變化很大。復合材料顯示出與純 PEA 相同的 C 趨勢，此外，模量隨著 F 的增加而增加。
在哈佛團隊的材料中，聚合物鏈很長而且高度糾纏在一起，而微粒則聚集在一起并與聚合物鏈共價結(jié)合。"事實證明，"論文共同第一作者、前 SEAS 研究生 Junsoo Kim 說，"這種材料能在兩個長度尺度上分散裂縫周圍的應力：聚合物鏈尺度和顆粒尺度。這種組合阻止了材料中裂縫的生長"。Kim 現(xiàn)為美國西北大學機械工程系助理教授。
研究小組在一塊材料上切割出一條裂縫，然后將其拉伸數(shù)萬次，以此證明了他們的方法。在他們的實驗中，裂縫從未擴大。該研究的資深作者索說："我們的多尺度應力分散方法拓展了材料特性的空間，為減少聚合物污染和制造高性能軟機器打開了大門。"
影響和未來應用
隨著科學技術的不斷發(fā)展，對于彈性體材料性能的需求也變得越發(fā)復雜和多樣化。在這一背景下，科學家們不斷探索新型材料設計的可能性，以滿足各種應用的需求。
這一創(chuàng)新性的設計不僅為高體積應用，如輪胎和傳動帶等傳統(tǒng)領域提供了新的可能性，同時也在新興領域，如軟體機器人和可穿戴設備中展現(xiàn)了潛在的應用前景。與此同時，本研究還強調(diào)了這種多功能彈性體的制備方法及其在工程實踐中的廣泛應用前景，為材料科學和工程領域的發(fā)展提供了有力的支持。
這項研究核心創(chuàng)新點在于首次提出并實現(xiàn)了一種多尺度應力分散機制，通過交纏的長聚合物鏈與剛性顆粒的協(xié)同作用，顯著提升了顆粒增強橡膠的疲勞閾值，為彈性體材料的高性能設計提供了新的理論和實踐基礎。該工作所實現(xiàn)的抗疲勞橡膠-剛性顆粒復合材料有助于推動下一代可穿戴設備的研究，同時在顆粒增強彈性體的設計提供了新的思路以及抗疲勞材料設計和功能性應用開辟了嶄新的前景，這將會對軟材料疲勞測試、新型材料設計、柔性電子學等領域產(chǎn)生重要的影響。
哈佛大學技術開發(fā)辦公室駐校專家、論文合著者雅科夫-庫佐夫斯基（Yakov Kutsovsky）說："設計新型彈性材料的傳統(tǒng)方法忽略了利用多尺度應力分散實現(xiàn)高性能彈性材料廣泛工業(yè)用途的這些關鍵見解。這項工作中開發(fā)和展示的設計原則可適用于廣泛的工業(yè)領域，包括輪胎和工業(yè)橡膠制品等大批量應用，以及可穿戴設備等新興應用。"
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_542053.html
來源：賢集網(wǎng)
標簽：
橡膠
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