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(xiàn)，預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水凝膠預損傷的系統(tǒng)控制和預損傷對DN水凝膠斷裂能影響的研究。基于此，北海道大學的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(tǒng)地控制DN水凝膠的預損傷程度，本文首先通過對無缺口的DN水凝膠施加不同程度的預拉伸，誘導DN水凝膠的脆性第一網(wǎng)絡出現(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λmax(施加的伸長)<λpre(預伸長)時，DN水凝膠的加卸載曲線重疊。當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。 

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

      通過單邊缺口拉伸實驗研究預損傷對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(預伸長)與λy(屈服伸長)的關(guān)系，將DN水凝膠的應力-應變曲線分成如圖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)絡被破壞成不連續(xù)的片段，柔性第二網(wǎng)絡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水凝膠中遠離裂紋端區(qū)域的脆性第一網(wǎng)絡損傷所耗散的能量，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。可以看到在整個階段中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。其二為當預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)絡作為滑動交聯(lián)，緩解了裂紋端的應力集中。

      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。

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

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》。