锁志刚 哈佛大学锁志刚教授与西安交大软机器实验室合作《JMPS》：抗疲劳橡胶弹性体

橡胶弹性体广泛应用于日常生活、工程和医学，如轮胎、密封件和软机械。自1950年以来，研究人员广泛研究了橡胶的失效和断裂。由于橡胶构件需要经常承受循环载荷，橡胶的疲劳性能受到了极大的关注。1967年，莱克-托马斯(Lake-Thomas)注意到许多常见橡胶的疲劳门槛值很低，仅为г = 50 J/m2，远低于其断裂能。长期以来，如何提高橡胶的疲劳门槛一直是一个悬而未决的问题。

针对这一问题，哈佛大学的索志刚教授与Xi交通大学软机实验室的年轻教师唐京达合作，研制出一种抗疲劳橡胶弹性体，其疲劳阈值达到500J/m2以上，比现有橡胶弹性体高一个数量级。受前人研究的启发，这项工作将橡胶断裂理论与3D打印技术相结合。抗疲劳弹性体是一种可拉伸的复合材料，由硬纤维和软基体组成，纤维和基体都是可拉伸的硅橡胶。纤维采用直写3D打印技术制成，嵌入基体中；这两者在界面上形成牢固的结合。当复合材料断裂时，裂纹尖端的软相基体发生很大的剪切变形，降低了硬相纤维处的应力集中，使纤维储存了大量的弹性能，而硬纤维在一定程度上可以阻碍裂纹的扩展。一旦裂纹开始扩展，储存在纤维中的弹性能量就会释放出来。由于储存在大尺寸纤维中的能量比储存在聚合物链中的能量大得多，复合橡胶的疲劳阈值和断裂能比均质橡胶大得多。抗疲劳橡胶弹性体的研发可以为其长期使用提供帮助。

一个

断裂能和疲劳阈值相图

如图所示，他们从文献中收集了常见橡胶弹性体的疲劳阈值和断裂能数据，并绘制了断裂能-疲劳阈值相图。现有弹性体的断裂能在103 ~ 105J/m2的数量级，但疲劳阈值远低于其断裂能，在10~100J/m2的数量级。通常天然橡胶的断裂能为10000J/m2，但阈值仅为50J/m2。本文制备了高拉伸弹性体复合材料，其阈值达到500J/m2，比现有弹性体高一个数量级。

2

理论模型

如图，经典的Lake-Thomas理论模型为г = Jabn1/2，г为疲劳阈值，J为C-C键的化学能，A为单体长度，B为单位体积共价键数，N为聚合物链中单体数。结合以上方程，从G. J. Lake和A. G. Thomas的原始论文中得到相应的参数，就可以得到гг= 10j/m2。

对于复合弹性体，他们提出了广义的莱克-托马斯模型:г = LMU。其中l是纤维单位的长度，m是每单位体积的纤维单位数，u是破坏纤维所需的能量。L=1×10-2m，M =3×106m-3 .如果纤维处于单轴拉伸状态，可以估算出U = 0.0133J。该模型给出的阈值为гг= 399J/m2。

三

材料制备

弹性体复合材料由高模量纤维和低模量基体组成。第一步是打印硬相纤维图案，在金属平台上快速聚合。其次，将软相基质的预聚物溶液注入模具中，以填充硬相弹性体留下的空空间。在第三步中，将复合材料在室温下放置12小时，以完全固化软相基质。不需要任何化学处理，它们可以在界面上形成拓扑和共价连接。借助3D打印技术，可以快速制作不同的纤维图案。

四

均质弹性体的性能测试

复合橡胶弹性体应满足两个前提条件:(1)硬相和软相之间有足够的模量差；硬相和软相有很强的界面来抵抗剪切变形。通过调节硬相弹性体的化学组成，它们可以控制其弹性模量，并获得3.76倍于软相弹性体的模量比。两者都有很好的拉伸性。纯剪切试验表明，硬相弹性体的断裂能约为800焦耳/平方米，软相弹性体的断裂能约为559焦耳/平方米。180°剥离试验表明，两者无需化学处理即可形成牢固的结合。

五

弹性体复合材料的断裂行为

利用橡胶断裂实验，测试了均质橡胶和一维、二维复合橡胶的断裂能，发现复合橡胶的断裂能为~6000J/m2，比均质橡胶高一个数量级。

六

二维增强弹性体的疲劳试验

研究人员观察了复合材料在不同载荷下的四种失效模式:灾难性断裂、纤维被裂纹切割、裂纹扭结和纤维断裂以及裂纹被纤维堵塞。当能量释放率为G = 3130J/m2时，样品将在第一周发生灾难性破坏。当G = 1700J/m2时，裂纹稳定增长，循环60周，纤维完全切断。当G = 1068J/m2时，裂纹在50周时首先扭结，478周时纤维完全断裂。当G = 537J/m2时，裂纹首先扭结，但39，200周后，硬相纤维保持完整。因此，他们把能量释放率G = 537J/m2作为二维复合材料疲劳阈值的下限。

七

重力-重力曲线

通过记录各拉伸比下的能量释放速率G和相应的临界循环数N，他们绘制了如下的G-N曲线，该曲线呈现出明显的下降趋势:施加的载荷G越低，循环数N越大..当G接近阈值г时，循环数n急剧上升。蓝色箭头表示样品在大约40，000次循环后保持完整。G-N曲线给出的阈值为500J/m2，比天然橡胶高一个数量级。

八

结论

总之，这项工作将橡胶断裂力学的概念与3D打印技术相结合，提高了橡胶弹性体的疲劳阈值，超过500J/m2，比现有弹性体高一个数量级，将为抗疲劳材料的研发提供帮助。

这项工作发表在旗舰期刊《固体力学和物理学》(jmp)上。Xi交通大学硕士研究生李成海和研究生杨航是合著者。Xi交通大学青年教师唐京达和哈佛大学、美国工程院/科学院院士索志刚教授是该论文的合著者。

论文信息和链接:

https://www . science direct . com/science/article/pii/s 0022509619307781

参考文献:

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