向柔性弹性体植入液态金属提高软物质强度

 软物质的基本特性是对外界微小作用的敏感和非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性等。流体热涨落和固态的约束共存导致了软物质的新行为,体现了其复杂性及特殊性。软物质的组成、结构、相互作用及其宏观性质与普通固体、液体和气体大不相同。金属在液态时具有流动性,剪切模量为零,而凝固以后却又具有高强度、硬度和低电阻率的性质。在诸如可伸缩可穿戴式电子设备、柔性机器人等医学设备的工程应用上,材料的软硬至关重要。合成材料中的强度多数通过裂纹尖端的能量耗散实现。然而,生物材料通过结合多尺度的能量耗散显示出的极限强度,同时使得前期裂纹尖端偏移减弱。

 
成果简介
 
近日,美国卡内基梅隆大学的Carmel Majidi教授在Advanced Materials上发表了题为“Extreme Toughening of Soft Materials with Liquid Metal”的研究文章。本文中作者提出了一种合成材料的体系结构,能通过向柔性弹性体植入微米尺度的悬浮物和高形变能力的液态金属液滴,表现出多模式强化。而且和未填充的聚合物相比,断裂能剧增了50倍。对于一些液态金属植入的弹性体组成,强度远超过了此前报道过的柔性弹性材料的最大值。这一剧烈强化作用通过增加的能量耗散和适应性的裂纹移动,以及有效消除裂纹尖端来实现。在加载时,随着液态金属植入物的形变所展现出的性能,为阻止超强软物质中的裂纹发生和抑制已有裂纹的扩展提供了一种新机制。
 
图文导读
 
                                   图1:植入液态金属弹性体(LMEE)的力学性能表征与比较。
向柔性弹性体植入液态金属提高软物质强度
(A)带缺口的和易形变无裂纹扩展的软/硬的LMEE薄膜;
 
(B)通过加入50%体积比的液态金属,在样品拉伸应变为300%,对LMEE的极限抗撕裂性进行表征;
 
(C)缺口样品中,消耗外加机械功的不同机制示意图。
 
                                  图2:LMEE样品和未填充弹性体的裂纹扩展情况。
向柔性弹性体植入液态金属提高软物质强度
(A)未填充的聚硅氧烷在缺口实验中,水平裂纹移动情况:(i)未拉伸,(ii)65%应变值,(iii)125%应变值;
 
(B)体积分数为30%的刚性颗粒中类似的水平裂纹移动情况:i)具有典型夹杂物形貌的样品,处于未拉伸态,ii)在应变率为200%时,典型刚性夹杂物未变形,iii)应变率为325%;
 
(C)50%体积分数的液态金属夹杂物的纵向裂纹移动和裂纹消失示意,LMEE样品分别处于:i)具有典型夹杂物形貌的样品,处于未拉伸态,ii) 具有典型夹杂物形貌的样品,处于100%应变率的状态,iii,iv)应变率为400%和500%时垂直撕裂移动,v)650%应变率时裂痕完全消失。光学显微镜图像(vi)-(x)代表图像中所圈区域。
 
                                  图3:弹性体的力学性能随液态金属体积分数变化情况。
向柔性弹性体植入液态金属提高软物质强度