返回顶部
返回首页
返回首页
北海道大学龚剑萍教授团队《Matter》:“材小鬼大”!兼具小尺寸和超高韧性的软复合材料,中国化工网,okmart.com
home 您现在的位置: 首页 >精细化学品>技术中心 > 详细信息
北海道大学龚剑萍教授团队《Matter》:“材小鬼大”!兼具小尺寸和超高韧性的软复合材料
2021年09月07日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

在自然界,“人小鬼大”的生物非常多,它们往往能够将看似矛盾的性能结合到自己身上,表现出不可思议的力学行为。比如“小尺寸”蚂蚁通常却是“高机械性能”大力士。

世界上的尖端应用(软体迷你机器人,先进医疗器械等)往往就需要整合一系列矛盾的优异性能,比如小尺寸,低弯曲刚度,高强度,高韧性中国化工网okmart.com。分子尺度的软复合材料如双网络材料,纳米复合材料,能够实现上述部分性能的结合,但要将这些优异但相互矛盾的性能全部整合到一个材料体系仍然是一个巨大挑战。


近日,日本北海道大学的龚剑萍教授团队在Cell姊妹刊Matter上发表题为“Tinyyet tough: Maximizing the toughness of fiber-reinforced soft composites in the absence of a fiber-fracture mechanism”的研究成果。该研究提出了一种简便通用的力学模型,能够精准预测并优化小尺寸下软复合材料的断裂韧性,成功在材料体系上实现了“小尺寸”和“高韧性”两种看似矛盾的性能结合。论文通讯作者是龚剑萍、Daniel R. King; 第一作者是崔为。


【纤维增强软复合材料的尺寸依赖性】

该团队在2020年通过结合高强度高模量纤维及低模量高韧性高粘附性粘弹性体,开发出了一种超强韧的软复合材料(Adv. Mater., 2020, 32, 1907180), 最高断裂韧性可达2500 kJ m-2, 超越现有已知材料。作者通过系统研究该复合材料体系在不同尺寸的断裂行为,发现其主要呈现三种断裂方式:纤维抽出(小尺寸),纤维抽出/纤维破坏并存(中尺寸),以及纤维破坏(大尺寸)。不同的断裂方式会显著影响软复合材料的断裂韧性。在2020年的工作中,大尺寸下软复合材料断裂行为及增韧机理已经被阐明。如果能够理解该材料在小尺寸下的断裂机理并进行优化,将非常有助于开发兼具“小尺寸”和“高性能”的新型材料。

北海道大学龚剑萍教授团队《Matter》:“材小鬼大”!兼具小尺寸和超高韧性的软复合材料 中国化工网,okmart.com

图1. 纤维增强粘弹性体软复合材料在不同尺寸下的断裂韧性。 

【纤维增强软复合材料的微观结构】

要阐明该软复合材料在小尺寸下的增韧机理,一个重要前提便是弄清楚其纤维抽出的破坏方式所导致的结果是基体破坏还是界面脱粘。作者首先通过SEM观察软复合材料的微观结构,发现纤维束内部被基体充分包围,且横向与纵向纤维束之间的缝隙也被基体充分填满。该结果表明低粘度预聚液在聚合前充分浸润进入纤维束内部,有利于基体与纤维的良好粘接。


【小尺寸软复合材料的破坏行为及模型建立】

通过观察小尺寸软复合材料在撕裂测试中不同时间点的纤维及基体状态,作者发现其破坏方式为纤维抽出导致的基体破坏而非界面脱粘。这也解释了为什么该软复合材料在小尺寸下也能达到极高的断裂韧性,因为基体破坏所耗散的能量远远高于界面脱粘的耗散能。根据小尺寸软复合材料特殊的破坏方式,作者建立了相应的力学模型,用于预测和优化复合材料在该破坏方式下的断裂韧性。该模型指出,复合材料在纤维抽出的破坏方式下,其断裂韧性与基体韧性,纤维几何参数,以及样品本体宽度三个因素有关。该模型也指出,即使纤维本身不通过破坏耗散能量,其存在也会显著影响复合材料断裂韧性。


【实验验证】

为了验证上述断裂模型的准确性,作者系统地测试了一系列条件下软复合材料的断裂韧性,包括改变基体,改变纤维,改变测试速度。根据实验结果,作者对力学模型进行了简单修正,但总体结论依旧不变,即基体韧性,纤维几何参数,和本体宽度为三个重要影响因素。同时作者验证了该力学模型的通用性,发现其在众多软复合材料体系中均可适用。最后,作者通过定义韧性放大因子强调了纤维几何参数的重要性,即纤维本身不参与能量耗散,但其存在会显著影响应力传递及最终的复合材料断裂韧性。 


【结论】

作者通过集中研究软复合材料在小尺寸下的断裂行为,发现其独特的能量耗散机制:纤维抽出导致的纤维束周围基体破坏而非界面脱粘。根据此破坏行为,作者提出了一个力学模型,将软复合材料的断裂韧性与其本体尺寸、纤维几何结构、基体机械性能相关联。通过调控三种影响因素,作者成功实现了小尺寸下软复合材料断裂韧性的预测及优化,使其在不到1 cm的宽度下也能达到500 kJ m-2以上的超高韧性。通过该工作,作者强调了三个新发现:1)纤维增强粘弹性体复合材料即使在小尺寸下也可以达到超高韧性;2)小尺寸复合材料中的纤维即使本身不通过破坏耗散能量,其几何结构也会显著影响复合材料的断裂韧性;3)小尺寸复合材料的断裂韧性能够通过组分的相关参数进行预测和优化。该工作为新型超韧迷你材料的开发提供了非常重要的实验参考及理论依据。


标签:化工应用技术中心今日头条精细化学品生物化学
免责声明: 本文仅代表作者本人观点,与中国化工网无关。本网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考,并请自行承担全部责任。本网转载自其它媒体的信息,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。客服邮箱:service@cnso360.com | 客服QQ:23341571
中国化工网手机站MOBILE
扫描二维码,获取手机版最新资讯 公众号:中国化工网 您还可以直接微信扫描打开
全站地图

深圳网络警察报警平台 深圳网络警
察报警平台

公共信息安全网络监察 公共信息安
全网络监察

经营性网站备案信息 经营性网站
备案信息

中国互联网举报中心 中国互联网
举报中心

中国文明网传播文明 中国文明网
传播文明

深圳市市场监督管理局企业主体身份公示 工商网监
电子标识