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  纖維增強(qiáng)復(fù)合軟材料常用來模擬軟組織，以應(yīng)用于軟體機(jī)器人和醫(yī)用替代物等。然而，此類復(fù)合軟材料存在一個(gè)長(zhǎng)期被忽視的問題：它們的抗裂紋萌生能力（起裂韌性）遠(yuǎn)低于軟組織，裂紋極易在基體中萌生并擴(kuò)展，破壞其結(jié)構(gòu)完整性。軟組織既具有較高的起裂韌性以抵抗裂紋擴(kuò)展，又具有較小的損傷區(qū)以保證功能。如何在復(fù)合軟材料中實(shí)現(xiàn)這兩種特性的結(jié)合仍是挑戰(zhàn)。

  西安交通大學(xué)唐敬達(dá)教授與哈佛大學(xué)鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種復(fù)合軟材料設(shè)計(jì)方法：將針織物與高纏結(jié)基體結(jié)合，并強(qiáng)化界面，構(gòu)建可拉伸復(fù)合軟材料，表征了裂紋阻力曲線，將起裂韌性大幅提升至46.9 kJ/m²，超過了牛心包軟組織，解決了復(fù)合軟材料低起裂韌性的難題。

  相關(guān)成果以Stretchable materials show high crack-initiation resistance that exceeds soft tissues為題，發(fā)表在國(guó)際期刊《Materials Today》上。論文第一作者為西安交大博士生陳曦，通訊作者為西安交大唐敬達(dá)教授和哈佛大學(xué)鎖志剛教授，論文作者還包括西安交大博士生劉豐愷，碩士生陸一迪。

  常規(guī)制備的可拉伸復(fù)合軟材料在小載荷作用下，極易在基體中萌生裂紋，而兼具高纏結(jié)基體和強(qiáng)界面的復(fù)合軟材料中幾乎無裂紋萌生，展現(xiàn)出高起裂韌性（圖1A-1C）。懸掛相同重量的杠鈴時(shí)，常規(guī)復(fù)合軟材料內(nèi)部出現(xiàn)水平裂紋擴(kuò)展，而高纏結(jié)復(fù)合軟材料僅發(fā)生垂直方向的彈性變形，無裂紋擴(kuò)展（圖1D-1E）。

圖1. 可拉伸復(fù)合軟材料的抗裂紋萌生能力

  高纏結(jié)復(fù)合軟材料的制備工藝如圖2A-2E所示:首先將超高分子量聚乙烯的紗線編織成網(wǎng)后，經(jīng)二苯甲酮溶液處理，在紫外光照射下使聚合物基體接枝生長(zhǎng)在纖維表面。光譜和表面形貌分析證實(shí)了基體與纖維間共價(jià)鍵界面的形成（圖2F-2G）。低交聯(lián)密度的基體內(nèi)部形成了長(zhǎng)聚合物鏈的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，本研究中稱之為高纏結(jié)基體（圖2H），具備良好的可拉伸性（圖2I）。

圖2. 高纏結(jié)復(fù)合軟材料的合成方法

  研究人員使用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)測(cè)繪了復(fù)合軟材料的裂紋阻力曲線（圖3A-3C）。如圖3D-3G所示，高纏結(jié)復(fù)合軟材料的起裂韌性和穩(wěn)態(tài)韌性均高于常規(guī)復(fù)合軟材料，其穩(wěn)態(tài)損傷區(qū)尺寸也縮小至與牛心包軟組織相當(dāng)?shù)乃�。裂紋在復(fù)合軟材料中的擴(kuò)展機(jī)制涉及基體破壞、纖維拔出和最終的纖維斷裂（圖3H-3J）。

圖3. 可拉伸復(fù)合軟材料的裂紋阻力曲線

  復(fù)合軟材料的設(shè)計(jì)需要不同機(jī)制的協(xié)同作用。首先改變基體的交聯(lián)比，實(shí)驗(yàn)與有限元模擬共同驗(yàn)證了低交聯(lián)比的強(qiáng)韌基體能有效防止基體破壞（圖4A-4E）。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)無界面交聯(lián)的復(fù)合軟材料，起裂韌性明顯降低（圖4F-4G）。將制備條件不同的復(fù)合軟材料的斷裂性能繪制成熱力圖，可以發(fā)現(xiàn)只有高纏結(jié)的強(qiáng)韌基體與強(qiáng)界面共同存在時(shí)，才能最大化地提升材料的起裂韌性并減小損傷區(qū)尺寸（圖 4H-4I）。

圖4. 基體韌性和界面強(qiáng)度對(duì)裂紋阻力曲線的影響

  研究人員還展示了該高纏結(jié)復(fù)合軟材料在多個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。如圖5A-5C 所示，在鼓泡測(cè)試中，高纏結(jié)復(fù)合軟材料在承受高壓充氣時(shí)無裂紋擴(kuò)展，而常規(guī)復(fù)合軟材料發(fā)生明顯裂紋擴(kuò)展。作為人工韌帶經(jīng)歷彎折時(shí)，高纏結(jié)復(fù)合軟材料中的裂紋幾乎不擴(kuò)展（圖5D-5E）。作為柔性電子基底材料承受拉伸時(shí)，高纏結(jié)復(fù)合軟材料能確保液態(tài)金屬電路保持完整（圖5F-5H）。

圖5.可拉伸復(fù)合軟材料的潛在應(yīng)用

  文章進(jìn)一步繪制了起裂韌性-穩(wěn)態(tài)韌性、起裂韌性-損傷區(qū)尺寸的Ashby圖，清晰地對(duì)比出高纏結(jié)復(fù)合軟材料優(yōu)越的力學(xué)性能。如圖6A所示，高纏結(jié)復(fù)合軟材料表現(xiàn)出較高的起裂韌性和穩(wěn)態(tài)韌性，起裂韌性甚至超過生物軟組織。在起裂韌性-損傷區(qū)尺寸的Ashby圖中，高纏結(jié)復(fù)合軟材料具有高起裂韌性和小損傷區(qū)，與生物軟組織相當(dāng)（圖6B）。最后，總結(jié)了幾種代表性材料的微觀結(jié)構(gòu)與裂紋擴(kuò)展機(jī)制（圖6C）。

圖6. 代表性材料的裂紋擴(kuò)展機(jī)制

  綜上所述，該項(xiàng)工作針對(duì)復(fù)合軟材料低起裂韌性的難題，提出了高纏結(jié)復(fù)合軟材料的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了超越軟組織的高起裂韌性，對(duì)于仿生軟材料的發(fā)展具有借鑒意義。

  論文鏈接 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702126000453?via%3Dihub