哈佛大學約翰-保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的科學家們提高了顆粒增強橡膠的疲勞閾值，它們開發出了一種新的多尺度方法，使這種材料能夠承受高負荷，並在反覆使用中抵禦裂紋增長。這種方法不僅能延長輪胎等橡膠製品的使用壽命，還能減少橡膠顆粒在使用過程中產生的污染。

SEAS 的研究人員開發出一種多尺度方法，使顆粒增強橡膠能夠承受高負荷，並在反覆使用中抵抗裂紋增長。上圖中，左側樣品中的裂縫正在增長，而右側樣品中的裂紋在經過350,000 次循環後仍然完好無損，該樣品由多尺度材料製成。資料來源：Suo Group/Harvard SEAS

這項研究發表在《自然》雜誌。

改進微粒增強橡膠

天然橡膠乳膠柔軟而富有彈性。在包括輪胎、軟管和阻尼器在內的一系列應用中，橡膠都是由碳黑和二氧化矽等硬質顆粒加固的。自問世以來，這些微粒大大提高了橡膠的剛度，但並沒有提高材料在循環拉伸時的抗裂紋增長能力，這種測量方法稱為疲勞閾值。

事實上，自20 世紀50 年代首次測量以來，顆粒增強橡膠的疲勞閾值並沒有太大改善。這意味著，即使輪胎經過改進，提高了耐磨性並降低了油耗，但細小的裂縫仍會將大量橡膠微粒帶入環境中，對人類造成空氣污染，並在溪流和河流中積聚。

橡膠工程學的新發現

在先前的研究中，SEAS 的Allen E. and Marilyn M. Puckett 力學與材料學教授索志剛領導的研究小組透過延長聚合物鍊和增加纏結密度，顯著提高了橡膠的疲勞閾值。那麼顆粒強化橡膠又如何呢？

研究團隊在高度糾纏的橡膠中加入了二氧化矽顆粒，他們認為顆粒會增加硬度，但不會影響疲勞閾值，正如文獻中普遍報導的那樣。他們錯了。

SEAS前研究生、論文共同第一作者傑森-斯特克（Jason Steck）說：”這真是個驚喜。我們沒想到添加顆粒會提高疲勞閾值，但我們發現疲勞閾值提高了十倍。Steck 現在是通用電氣航空航太公司的研究工程師。”

在哈佛團隊的材料中，聚合物鏈很長且高度糾纏在一起，而微粒則聚集在一起並與聚合物鏈共價結合。

“事實證明，”論文共同第一作者、前SEAS 研究生Junsoo Kim 說，”這種材料能在兩個長度尺度上分散裂縫周圍的應力：聚合物鏈尺度和顆粒尺度。這種組合阻止了材料中裂縫的生長”。 Kim 現為美國西北大學機械工程系助理教授。

影響與未來應用

研究小組在一塊材料上切割出一條裂縫，然後將其拉伸數萬次，以證明了他們的方法。在他們的實驗中，裂縫從未擴大。

研究的資深作者索說：”我們的多尺度應力分散方法拓展了材料特性的空間，為減少聚合物污染和製造高性能軟機器打開了大門。”

哈佛大學技術開發辦公室駐校專家、論文合著者雅科夫-庫佐夫斯基（Yakov Kutsovsky）說：「設計新型彈性材料的傳統方法忽略了利用多尺度應力分散實現高性能彈性材料廣泛工業用途的這些關鍵見解。這項工作中開發和展示的設計原則可適用於廣泛的工業領域，包括輪胎和工業橡膠製品等大批量應用，以及可穿戴設備等新興應用。”

編譯自/ scitechdaily