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技術(shù)文章

預(yù)損傷對雙網(wǎng)狀水凝膠斷裂能的影響

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       以凝膠為代表的軟材料,由于其優(yōu)異的抗拉伸性能、高韌性以及易于加工等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于生物工程、柔性電子和軟機器人等領(lǐng)域。近些年的研究已發(fā)現(xiàn),預(yù)損傷將會一定程度地提高DN水凝膠的斷裂能,但目前仍然缺乏對DN水凝膠預(yù)損傷的系統(tǒng)控制和預(yù)損傷對DN水凝膠斷裂能影響的研究?;诖?,北海道大學(xué)的Gong JianPing教授團隊通過純剪切實驗以及單邊缺口拉伸實驗,系統(tǒng)地控制了DN水凝膠的預(yù)損傷程度,揭示了預(yù)損傷對DN水凝膠裂紋萌生的影響。

       為了系統(tǒng)地控制DN水凝膠的預(yù)損傷程度,本文首先通過對無缺口的DN水凝膠施加不同程度的預(yù)拉伸,誘導(dǎo)DN水凝膠的脆性第一網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不同程度的內(nèi)部損傷,如圖1A所示。然后,通過滯回曲線面積Uhys量化DN水凝膠的損傷程度,如圖1B所示。可以看到,當(dāng)λmax(施加的伸長)<λpre(預(yù)伸長)時,DN水凝膠的加卸載曲線重疊。當(dāng)λmax>λpre時,DN水凝膠發(fā)生內(nèi)部損傷,加卸載曲線出現(xiàn)滯后。 

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圖1  (A)預(yù)拉伸誘導(dǎo)DN水凝膠內(nèi)部損傷的實驗示意圖,(B) DN水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

      通過單邊缺口拉伸實驗研究預(yù)損傷對DN水凝膠中裂紋萌生的影響,同時采用如圖2A所示的實驗裝置進(jìn)行實時雙折射成像,用以捕捉DN水凝膠的裂紋擴展行為并量化裂紋端前的損傷區(qū)。作者根據(jù)λpre(預(yù)伸長)與λy(屈服伸長)的關(guān)系,將DN水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成如圖2B-C所示的兩種階段。階段1(λpre<λy):脆性第一網(wǎng)絡(luò)仍具有連續(xù)結(jié)構(gòu),起到主要承載的作用。階段2(λpre>λy):脆性第一網(wǎng)絡(luò)被破壞成不連續(xù)的片段,柔性第二網(wǎng)絡(luò)起到主要承擔(dān)載荷的作用。為了更好地研究DN水凝膠在斷裂過程中的能量耗散機制,作者將表觀斷裂能Γc分成兩個部分:Γbulk為DN水凝膠中遠(yuǎn)離裂紋端區(qū)域的脆性第一網(wǎng)絡(luò)損傷所耗散的能量,Γtip為裂紋端附近的斷裂過程區(qū)中消耗的能量,如圖3所示??梢钥吹皆谡麄€階段中Γbulk顯著降低直至為零,而Γtip階段2中顯著上升。作者分析其可能的原因有兩種:其一為在較大的預(yù)拉伸下,DN水凝膠會發(fā)生軟化,增強了材料抵抗裂紋擴展的能力。其二為當(dāng)預(yù)拉伸大于臨界拉伸時,被破壞成不連續(xù)片段的脆性第一網(wǎng)絡(luò)作為滑動交聯(lián),緩解了裂紋端的應(yīng)力集中。

      該工作通過純剪切實驗以及單邊缺口拉伸實驗,揭示了預(yù)損傷對DN水凝膠裂紋萌生的影響。發(fā)現(xiàn)DN水凝膠的斷裂能與脆性網(wǎng)絡(luò)的預(yù)損傷程度強相關(guān),斷裂能的增加可能源于脆性網(wǎng)絡(luò)斷裂所釋放的可拉伸鏈的增韌作用。后續(xù)可借鑒該工作,使用雙折射成像等微觀表征技術(shù)研究彈性體材料在斷裂過程中微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律,輔助分析彈性體材料斷裂過程中的能量耗散機制。

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圖2 預(yù)拉伸對DN水凝膠裂紋萌生的影響。(A)實時雙折射成像示意圖,(B)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,(C)臨界拉伸-預(yù)拉伸曲線

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圖3 DN水凝膠在裂紋萌生時的斷裂能


相關(guān)論文以“Effect of Predamage on the Fracture Energy of Double-Network Hydrogels"為題發(fā)表在《ACS Macro Lett》。





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