預損傷對雙網(wǎng)狀水凝膠斷裂能的影響

       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(diǎn)被廣泛應用于生物工程、柔性電子和軟機器人等領(lǐng)域。近些年的研究已發(fā)現，預損傷將會(huì )一定程度地提高DN水凝膠的斷裂能，但目前仍然缺乏對DN水凝膠預損傷的系統控制和預損傷對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(guò)純剪切實(shí)驗以及單邊缺口拉伸實(shí)驗，系統地控制了DN水凝膠的預損傷程度，揭示了預損傷對DN水凝膠裂紋萌生的影響。

       為了系統地控制DN水凝膠的預損傷程度，本文首先通過(guò)對無(wú)缺口的DN水凝膠施加不同程度的預拉伸，誘導DN水凝膠的脆性第一網(wǎng)絡(luò )出現不同程度的內部損傷，如圖1A所示。然后，通過(guò)滯回曲線(xiàn)面積Uhys量化DN水凝膠的損傷程度，如圖1B所示?？梢钥吹?，當λmax(施加的伸長(cháng))<λpre(預伸長(cháng))時(shí)，DN水凝膠的加卸載曲線(xiàn)重疊。當λmax>λpre時(shí)，DN水凝膠發(fā)生內部損傷，加卸載曲線(xiàn)出現滯后。 

圖1  (A)預拉伸誘導DN水凝膠內部損傷的實(shí)驗示意圖，(B) DN水凝膠的應力-應變曲線(xiàn)

      通過(guò)單邊缺口拉伸實(shí)驗研究預損傷對DN水凝膠中裂紋萌生的影響，同時(shí)采用如圖2A所示的實(shí)驗裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)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。作者根據λpre(預伸長(cháng))與λy(屈服伸長(cháng))的關(guān)系，將DN水凝膠的應力-應變曲線(xiàn)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 )仍具有連續結構，起到主要承載的作用。階段2(λpre>λy)：脆性第一網(wǎng)絡(luò )被破壞成不連續的片段，柔性第二網(wǎng)絡(luò )起到主要承擔載荷的作用。為了更好地研究DN水凝膠在斷裂過(guò)程中的能量耗散機制，作者將表觀(guān)斷裂能Γc分成兩個(gè)部分：Γbulk為DN水凝膠中遠離裂紋端區域的脆性第一網(wǎng)絡(luò )損傷所耗散的能量，Γtip為裂紋端附近的斷裂過(guò)程區中消耗的能量，如圖3所示?？梢钥吹皆谡麄€(gè)階段中Γbulk顯著(zhù)降低直至為零，而Γtip階段2中顯著(zhù)上升。作者分析其可能的原因有兩種：其一為在較大的預拉伸下，DN水凝膠會(huì )發(fā)生軟化，增強了材料抵抗裂紋擴展的能力。其二為當預拉伸大于臨界拉伸時(shí)，被破壞成不連續片段的脆性第一網(wǎng)絡(luò )作為滑動(dòng)交聯(lián)，緩解了裂紋端的應力集中。

      該工作通過(guò)純剪切實(shí)驗以及單邊缺口拉伸實(shí)驗，揭示了預損傷對DN水凝膠裂紋萌生的影響。發(fā)現DN水凝膠的斷裂能與脆性網(wǎng)絡(luò )的預損傷程度強相關(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。后續可借鑒該工作，使用雙折射成像等微觀(guān)表征技術(shù)研究彈性體材料在斷裂過(guò)程中微觀(guān)結構的演化規律，輔助分析彈性體材料斷裂過(guò)程中的能量耗散機制。

圖2 預拉伸對DN水凝膠裂紋萌生的影響。(A)實(shí)時(shí)雙折射成像示意圖，(B)應力-應變曲線(xiàn)，(C)臨界拉伸-預拉伸曲線(xiàn)

圖3 DN水凝膠在裂紋萌生時(shí)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》。