《Cell》子刊:像蛛网一样强韧的抗冲击透明复合材料

蛛丝是在自然界中能找到的最强韧的纤维材料之一。它强度是等体积的钢丝的5倍,若是将其变得和铅笔一样粗,不仅仅是火车,就连战斗机也能轻易被拦下。这非比寻常的力学性能吸引了大批研究者的注意力,人们希望能够破解赋予蛛丝超强力学性能的结构之谜,并将其化为己用。

除了蛛丝超高的强度外,蛛丝独特的力学耗散性能也同样引人注目。肌腱等生物材料在受到冲击的时候,只有10%的能量被耗散,剩余的90%则都以弹性势能的形式储存起来;相比之下,蛛丝可以耗散掉70%的冲击能量,这一特性让蜘蛛网在捕获昆虫时不会因冲击和挣扎而断裂。

那么蛛丝是怎么做到如此大的能量耗散?其秘密隐藏于构成蛛丝的丝原纤维中,其中的蛋白质以β-折叠的形式形成物理交联无定形区则形成卷曲盘绕的线圈结构,并存在氢键相互作用。当受到外力时,氢键断裂,卷曲的线团舒展,从而耗散能量。这种牺牲键-隐性长度(sacrificial bonds and hidden lengths,SBHL)的策略被广泛地借鉴,并用于制备各类抗冲击水凝胶、弹性体等材料。

但是SBHL一直都仅仅被视为一种分子设计策略,如果我们把它放大的到常规尺度,又会发生什么样的现象?近日,来自加拿大蒙特利尔大学的Frederick Gosselin团队成功地用SBHL策略设计了一种具有超强抗冲击性且透明的复合材料上述复合材料由透明硅橡胶做基材,打印的卷绕和直线聚碳酸酯(PC)双重纤维网格作为增强填料。当受到冲击时,这种复合材料最大能耗散掉93.7%的冲击能量,从而避免了弹性势能积蓄所导致的物体二次回弹以及严重的破碎。上述成果以“Spiderweb-inspired, transparent, impact-absorbing composite”为题发表于Cell Reports Physical Science。

《Cell》子刊:像蛛网一样强韧的抗冲击透明复合材料

1. 透明抗冲击复合材料的制备和原理

《Cell》子刊:像蛛网一样强韧的抗冲击透明复合材料

图 1 透明抗冲击材料的原理、结构和制备流程

透明抗冲击复合材料的制备主要分为三个步骤:1)仿蛛丝结构PC网格印刷;2)透明弹性体前驱液灌注;3)热固化。

其中对力学性能影响最大的是PC网格的印刷。为实现对蛛丝牺牲键和隐性长度特性的模仿,研究人员以Brun准静态几何模型为基础,对网格的几何结构进行了设计,使其为周期性的卷绕形态。在这一形态下,环状部分重叠的地方会在凝固过程中紧密结合,充当牺牲键;环状部分本身则作为隐性长度,在牺牲键断裂后快速伸展,实现对冲击力能量的进一步耗散(图1a、c)。利用3D打印打印上述形状的关键则在于:1)控制挤出速度与打印速度之比,使挤出速度稍快,从而对熔体施加一个挤压力使其弯曲;2)选取合适的网格间距、线宽和喷头高度,以尽可能避免在打印第二层网格时,第一层网格的存在干扰了流体下落的过程。

在PC网格打印完成后,它被固定于模具之中,然后透明弹性体前驱液被灌注进入模具中,在固化后即可得到透明、抗冲击的复合材料。

2. 材料透明度设计和表征

对复合材料而言,实现高透明度的重点在于选取折射率匹配的增强填料和基体。单纯的PC网格(n = 1.58)由于和空气的折射率相差过大,因而在界面处会因光的折射引起图像失真,使得其背后的二维码不可被识别(图2a)。当与较低折射率的PDMS(n = 1.41)或较高折射率的甲基苯基硅氧烷(n = 1.55)复合后,失真现象明显改善,二维码也可被识别(图2c、d)。此外,较高的折射率匹配度也抑制了光在材料中的散射,因而甲基苯基硅氧烷复合材料的雾度也明显低于PDMS复合材料(图2g)。不过由于甲基苯基硅氧烷的折射率较大,其复合材料的总体透光率相比于PDMS的复合材料较低(图2f)。

《Cell》子刊:像蛛网一样强韧的抗冲击透明复合材料

图 2 材料透明度表征

值得注意的是在热固化过程中,由于PC和透明弹性体热膨胀系数的差异,会在其界面处产生裂纹,使材料光学性能劣化。

3. 材料抗冲击性表征

《Cell》子刊:像蛛网一样强韧的抗冲击透明复合材料

图 3 材料抗冲击性表征

在考虑成本的基础上,PDMS被选为基体进行进一步的抗冲击表征。研究人员分别制备了四种材料:纯弹性体、直线网格增强的复合材料、卷绕网格增强的复合材料和直线网格-卷绕网格混合增强的复合材料。卷绕网格增强的复合材料和直线网格-卷绕网格混合增强的复合材料最为类似于自然界中一种蜘蛛所纺出的网。其中,直线网格能进一步提高复合材料的刚度(13.9 N/mm)并在冲击过程中首先断裂耗散一部分能量,然后卷绕网格的重叠处断裂、伸展,进一步耗散能量,这一特性能耗散93.7%的冲击能量并保护材料不被击穿,因而十分适合于捕获高冲击力的物体。

总结

通过将蛛丝牺牲键-隐性长度的微观策略成功放大到宏观复合材料设计中,研究人员开发出了一种低成本、通用的力学增强方式,这种策略能大大提升复合材料的抗冲击强度。然而在抗冲击过程中材料的损耗不可避免,若是能进一步结合微观结构设计和自愈合设计,就能够进一步增强材料的力学性能并使其具有反复使用的能力。

全文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386420302587?via%3Dihub

相关新闻

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

微信