顆粒在線訊：北京時間2021年9月6日晚23時，日本北海道大學的龔劍萍教授團隊在Matter上發(fā)表題為“Tiny yet tough: Maximizing the toughness of fiber-reinforced soft composites in the absence of a fiber-fracture mechanism”的研究成果。

該研究提出了一種簡便通用的力學模型，能夠精準預測并優(yōu)化小尺寸下軟復合材料的斷裂韌性，成功在材料體系上實現(xiàn)了“小尺寸”和“高韌性”兩種看似矛盾的性能結合。論文通訊作者是龔劍萍、Daniel R. King; 第一作者是崔為。

世界上的尖端應用（軟體機器人，先進醫(yī)療器械等）往往需要整合一系列的優(yōu)異性能，比如小尺寸、低彎曲剛度、高強度、高韌性。分子尺度的復合材料如雙網(wǎng)絡材料，納米復合材料，能夠實現(xiàn)上述部分性能的結合，但要將這些優(yōu)異但相互矛盾的性能全部整合到一個材料體系仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。

北海道大學龔劍萍教授團隊在2020年通過結合高強度高模量纖維及低模量高韌性高粘附性粘彈性體，開發(fā)出了一種超強韌的軟復合材料（Adv. Mater., 2020, 32, 1907180），最高斷裂韌性可達2500 kJ m-2，超越任何已知材料。作者通過系統(tǒng)研究該復合材料體系在不同尺寸的斷裂行為，發(fā)現(xiàn)其主要呈現(xiàn)三種斷裂方式：纖維抽出（小尺寸），纖維抽出/纖維破壞并存（中尺寸），以及纖維破壞（大尺寸）。

圖1：（a）纖維增強粘彈性體軟復合材料在不同尺寸下的斷裂韌性。（b）該材料在不同尺寸下的斷裂行為可以被細分為三個區(qū)域：纖維抽出（小尺寸，region I）、纖維抽出/纖維破壞并存（中尺寸，region II）、纖維破壞（大尺寸， region III）。（c）圖a中region I的放大圖。

在2020年的工作中，大尺寸下軟復合材料斷裂行為及增韌機理已經(jīng)被闡明。如果能夠闡明該材料小尺寸下的斷裂機理并進行優(yōu)化，將大大推動同時具備上述“矛盾性能”的材料開發(fā)。

圖2：軟復合材料的微結構。（a）材料截面的SEM圖像。（b）對應圖a的示意圖。（c）縱向纖維束的SEM圖像?？梢钥闯鰡胃w維被基體充分浸潤并環(huán)繞。（d）縱向/橫向纖維束交界處的SEM圖像。交界處的空隙被基體充分填滿。

在今年的工作中，作者通過集中研究該軟復合材料在小尺寸下的斷裂行為，發(fā)現(xiàn)其獨特的能量耗散機制：纖維抽出導致的纖維束周圍基體破壞而非界面脫粘。

圖3：軟復合材料的纖維抽出行為。（a）軟復合材料在撕裂測試中的力-位移曲線，圖中不同字母表示其在測試過程中不同時間點的狀態(tài)。（b）橫向/縱向纖維束的初始狀態(tài)。（c）橫向/縱向纖維束在撕裂測試剛剛開始時的狀態(tài)。可以看出纖維的抽出導致連接處的基體開始發(fā)生形變。（d）橫向/縱向纖維束在測試結束時的狀態(tài)。基體被嚴重破壞，但仍然良好吸附在纖維束上。以上結果表明纖維抽出導致的是基體破壞而非界面脫粘。

根據(jù)此破壞行為，作者提出了一個力學模型，將軟復合材料的斷裂韌性與其本體尺寸、纖維幾何結構、基體機械性能相關聯(lián)。通過調(diào)控三種影響因素，作者成功實現(xiàn)了小尺寸下軟復合材料斷裂韌性的預測及優(yōu)化，使其在不到1cm的寬度下也能達到500 kJ m-2以上的超高韌性。

圖4：根據(jù)軟復合材料的纖維抽出行為建立相應纖維抽出的力學模型。

圖5：力學模型的實驗結果驗證。（a）固定尺寸下，材料斷裂韌性受到基體韌性和纖維幾何機構影響。（b）不同尺寸下，復合材料斷裂韌性與本體尺寸成正比關系。復合材料斷裂韌性有一個最小值，為基體本身的斷裂韌性（c）圖b中的斜率與基體斷裂韌性和纖維幾何結構因子乘積成正比。

圖6：力學模型的通用性。由不同基體，不同纖維組成的復合材料在不同測試速度下的結果表明，該力學模型允許通過組分參數(shù)對復合材料的斷裂韌性進行預測。

通過該工作，作者強調(diào)了三個新發(fā)現(xiàn)：1）纖維增強粘彈性體復合材料即使在小尺寸下也可以達到超高韌性；2）小尺寸復合材料中的纖維即使本身不通過破壞耗散能量，其幾何結構也會顯著影響復合材料的斷裂韌性；3）小尺寸復合材料的斷裂韌性能夠通過組分的相關參數(shù)進行預測和優(yōu)化。

圖7：韌性放大因子對復合材料寬度作圖。結果表明，在小尺寸復合材料的斷裂過程中，即使纖維本身不發(fā)生破壞，其幾何結構也會顯著影響復合材料的斷裂韌性。

該工作為新型超韌迷你材料的開發(fā)提供了非常重要的實驗參考及理論依據(jù)。

相關論文信息：http://doi.org/10.1016/j.matt.2021.08.013