可拉伸材料（如彈性體、水凝膠、有機(jī)凝膠和離子凝膠）在組織修復(fù)、藥物輸送、機(jī)器人、離子電子、生物電子、合成生物學(xué)，以及可穿戴設(shè)備中都有廣泛應(yīng)用。當(dāng)這些材料承受負(fù)荷時(shí)，必須能抵抗裂紋的增長以防止材料失效，這種性能可以用單調(diào)載荷下的韌性Γ和循環(huán)載荷下的閾值Γth來衡量。下圖為材料的韌性-閾值表，圖中的對角線表示韌性和閾值相同的材料，例如陶瓷，它們很脆但耐疲勞。大多數(shù)材料，如塑料、金屬、彈性體、水凝膠，多少都有些韌性，因此都位于對角線下面，這些材料韌性好但易疲勞。因此這些韌性材料的閾值通常比韌性低一到兩個(gè)數(shù)量級，一個(gè)代表性的例子就是天然橡膠，它的韌性一般超過10000 J/m2，但閾值只有可憐的50 J/m2。
成果介紹
基于以上分析，哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組提出了一種可以同時(shí)提高凝膠材料拉伸性和抗疲勞性的方法。他們將聚二甲基硅氧烷（PDMS）纖維嵌入到更柔軟、可拉伸性更高的聚丙烯酰胺（PAAm）基體材料中，通過稀疏的共價(jià)鍵將兩者交聯(lián)在一起，合成了一種凝膠復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的PDMS纖維和PAAm凝膠的韌性只有365 J/m2和1142 J/m2，但是復(fù)合材料的韌性則高達(dá)4136 J/m2，而且材料循環(huán)30000次后裂紋不再繼續(xù)擴(kuò)展，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性。研究者認(rèn)為這種方法具有廣泛的適用性，為高性能凝膠材料的開發(fā)打開了一扇大門。
材料設(shè)計(jì)原理
柔軟且可拉伸的纖維具有高模量和低閾值的特點(diǎn)，如果基體材料更加柔軟、更加可拉伸，則模量低、閾值高。將兩者通過輕度共價(jià)鍵連接在一起形成復(fù)合材料，在未變形時(shí)，纖維均勻分散在基體中（紅色正方形標(biāo)記的為部分基體），用刀片將復(fù)合材料割上一道裂紋，并施加應(yīng)力使其拉伸，基體會發(fā)生很大的剪切形變，紅色的正方形就變形為平行四邊形，而且裂紋變鈍，纖維被高拉伸度，復(fù)合材料中裂紋的發(fā)展就會更加困難，在材料完全失效之前，所有纖維都能均勻分擔(dān)載荷，所以復(fù)合材料具有更好的韌性和抗疲勞性能。
復(fù)合材料的合成及力學(xué)性能測試方法
為了制備出拉伸性高、抗疲勞性好的復(fù)合材料，研究者以聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體作為纖維，以聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠作為基體。首先以AAM為單體，在光引發(fā)下制備凝膠；然后將Sylgard 184和固化劑（重量比為10：1）混合制備出0.5mm厚的PDMS薄膜，然后將其切為寬度1 mm~2.5 mm的纖維，將纖維排列成骨架，在其上進(jìn)行AAM的光固化凝膠反應(yīng)，最終得到了復(fù)合材料。
研究者采用單調(diào)載荷來測試復(fù)合材料的臨界拉伸、剪切模量和韌性，采用循環(huán)載荷來測試復(fù)合材料的疲勞行為，如下圖所示。
為了研究復(fù)合材料中裂紋的發(fā)展情況，研究者采用循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試，拉伸載荷的振幅為1.725，能量釋放速率為1290 J/m2。發(fā)現(xiàn)預(yù)先切割出裂紋的復(fù)合材料在最初幾千次循環(huán)后，裂紋僅擴(kuò)展到了第一根纖維，超過30000個(gè)循環(huán)后裂紋不再繼續(xù)擴(kuò)展。相比之下，復(fù)合材料中PDMS纖維的韌性為只有365 J/m2，水凝膠基體的韌性要高一些，達(dá)到了1142 J/m2，但是復(fù)合材料的韌性則高達(dá)4136 J/m2，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。
復(fù)合材料抗疲勞性能研究
為了研究材料的抗疲勞性能，研究者進(jìn)行了循環(huán)載荷測試，發(fā)現(xiàn)如果復(fù)合材料中基體比纖維更加柔軟時(shí)，纖維斷裂后材料才會失效。當(dāng)樣品的能量釋放速率低于4441 J/m2時(shí)，纖維在第一個(gè)循環(huán)中就發(fā)生了斷裂；復(fù)合材料在較小的能量釋放速率和幅度下可以承受更多的循環(huán)載荷；如果能量釋放速率和幅度進(jìn)一步降低，在數(shù)萬次循環(huán)候纖維不會斷裂，復(fù)合材料也不會失效。
作為對比，研究者又合成了一種基體水凝膠可拉伸性不高的材料，發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合材料在能量釋放速率為1290 J/m2的載荷下經(jīng)過6414個(gè)循環(huán)后即失效，失效模式為扭結(jié)裂紋失效，在邊界處形成扭結(jié)裂紋和基體破裂。
研究者增加了纖維的數(shù)量，但保持纖維含量不變（20.3 wt％），以減少復(fù)合材料的特征尺寸。發(fā)現(xiàn)在1290 J/m2的能量釋放速率的振幅下，材料在6432個(gè)循環(huán)后裂紋發(fā)展到第一根纖維，在10317個(gè)循環(huán)后開始出現(xiàn)扭結(jié)裂紋，并隨后向上傳播。
纖維-基體粘附強(qiáng)度對材料力學(xué)性能的影響
為了研究纖維和基體粘附性大小對材料力學(xué)性能的影響，研究者合成了兩組復(fù)合材料，其中一組中纖維和水凝膠形成共價(jià)交聯(lián)，在另一組中纖維和水凝膠形成非共價(jià)鍵作用。發(fā)現(xiàn)這兩組材料表現(xiàn)出不同的應(yīng)力-拉伸行為，具有強(qiáng)界面粘附性的復(fù)合材料的韌性是弱界面粘附性的四倍，而且當(dāng)纖維和基體的粘附力弱時(shí)，復(fù)合材料會由于基體的斷裂而失效。
哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組合成了一種韌性好、耐疲勞的凝膠復(fù)合材料。他們以（PDMS作為纖維，以光固化的丙烯酰胺（AAm）水凝膠作為基體合合成了一種復(fù)合凝膠材料。在循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)中測試了材料的抗疲勞性能，當(dāng)拉伸載荷的振幅為1.725、能量釋放速率為1290 J/m2時(shí)，預(yù)先切割出裂紋的復(fù)合材料在最初幾千次循環(huán)后，裂紋僅擴(kuò)展到了第一根纖維，超過30000個(gè)循環(huán)后裂紋不再繼續(xù)擴(kuò)展，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。雖然PDMS纖維和水凝膠基體的韌性為只有365 J/m2和1142 J/m2，但是經(jīng)過共價(jià)鍵結(jié)合后復(fù)合材料的韌性則高達(dá)4136 J/m2。如果基體水凝膠的可拉伸性不高，這種復(fù)合材料經(jīng)過6414個(gè)循環(huán)后即發(fā)生了扭結(jié)裂紋失效；如果增加纖維密度，材料在10317個(gè)循環(huán)后同樣因?yàn)榕そY(jié)裂紋而失效。而且纖維和基體的粘附強(qiáng)度要高一些，具有強(qiáng)界面粘附性的復(fù)合材料的韌性是弱界面粘附性的四倍。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702119307606
