SEAS的研究人员开发了一种多尺度方法，使颗粒增强橡胶能够承受高载荷，并在重复使用中抵抗裂纹扩展。上图中，左边的样品中出现了裂纹，而右边的样品中，由多尺度材料制成的裂纹在35万次循环后保持完整。资料来源:Suo Group/Harvard SEAS
哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的科学家们改进了颗粒增强橡胶的疲劳阈值，开发了一种新的多尺度方法，使材料能够承受高载荷，并在重复使用中抵抗裂纹扩展。这种方法不仅可以延长轮胎等橡胶制品的使用寿命，还可以减少橡胶颗粒在使用过程中脱落的污染量。
这项研究发表在《自然》杂志上。
改进颗粒增强橡胶
天然产生的橡胶乳胶柔软且有弹性。对于一系列应用，包括轮胎，软管和阻尼器，橡胶由刚性颗粒增强，如炭黑和二氧化硅。自引入以来，这些颗粒极大地提高了橡胶的刚度，但在材料被循环拉伸时(一种称为疲劳阈值的测量)，它们对裂纹扩展的抵抗力却没有提高。
事实上，自20世纪50年代首次测量以来，颗粒增强橡胶的疲劳阈值并没有提高多少。这意味着，即使对轮胎进行了改进，增加了耐磨性，减少了燃料消耗，小裂缝也会将大量的橡胶颗粒排放到环境中，给人类造成空气污染，并积聚在溪流和河流中。
橡胶工程的新发现
在之前的研究中，SEAS的Allen E. and Marilyn M. Puckett力学与材料教授Zhigang Suo领导的团队通过延长聚合物链和强化缠结，显著提高了橡胶的疲劳阈值。那么颗粒增强橡胶呢?
研究小组将二氧化硅颗粒加入到高度纠缠的橡胶中，认为这些颗粒会增加刚度，但不会影响疲劳阈值，正如文献中普遍报道的那样。他们错了。
这篇论文的第一作者之一、SEAS前研究生杰森·斯特克(Jason Steck)说:“这相当令人惊讶。”“我们没有想到添加颗粒会增加疲劳阈值，但我们发现它增加了十倍。”斯特克现在是通用航空航天公司的一名研究工程师。
在哈佛团队的材料中，聚合物链很长且高度纠缠，而颗粒聚集在聚合物链上并以共价键结合。
“事实证明，”SEAS的前研究生、该论文的共同第一作者金俊秀(Junsoo Kim)说，“这种材料在两个长度尺度上分散了裂缝周围的应力:聚合物链的尺度和颗粒的尺度。这种组合阻止了材料中裂纹的增长。”
Kim现在是西北大学机械工程助理教授。
影响及未来应用
该团队演示了他们的方法，他们在一块材料上切割一条裂缝，然后将其拉伸数万次。在他们的实验中，裂缝从未变大。
“我们的多尺度应力分散方法扩大了材料性能的空间，为减少聚合物污染和建造高性能软机器打开了大门，”该研究的高级作者Suo说。
哈佛大学技术发展办公室的常驻专家、该论文的合著者Yakov Kutsovsky说:“设计新型弹性体材料的传统方法错过了使用多尺度应力分散来实现广泛工业用途的高性能弹性体材料的关键见解。”“在这项工作中开发和展示的设计原则可以适用于广泛的行业，包括轮胎和工业橡胶制品等大批量应用，以及可穿戴设备等新兴应用。”
参考文献:“多尺度应力去集中放大橡胶的抗疲劳性能”，作者:Jason Steck, Junsoo Kim, Yakov Kutsovsky和Zhigang Suo, 2023年12月13日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06782 - 2
Kutsovsky此前曾担任Cabot Corporation的首席科学官和首席技术官15年。
哈佛大学技术发展办公室保护了与该项目相关的知识产权，并正在探索商业化机会。
该研究得到了MRSEC拨款DMR-2011754和空军科学研究办公室FA9550-20-1-0397的部分支持。
