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正文

借助液态金属显著提高软物质强度

导读: 金属在液态时具有流动性,剪切模量为零,而凝固以后却又具有高强度、硬度和低电阻率的性质。在诸如可伸缩可穿戴式电子设备、柔性机器人等医学设备的工程应用上,材料的软硬至关重要。合成材料中的强度多数通过裂纹尖端的能量耗散实现。

金属在液态时具有流动性,剪切模量为零,而凝固以后却又具有高强度、硬度和低电阻率的性质。在诸如可伸缩可穿戴式电子设备、柔性机器人等医学设备的工程应用上,材料的软硬至关重要。合成材料中的强度多数通过裂纹尖端的能量耗散实现。然而,生物材料通过结合多尺度的能量耗散显示出的极限强度,同时使得前期裂纹尖端偏移减弱。

成果简介

近日,美国卡内基梅隆大学的Carmel Majidi教授在Advanced Materials上发表了题为“Extreme Toughening of Soft Materials with Liquid Metal”的研究文章。本文中作者提出了一种合成材料的体系结构,能通过向柔性弹性体植入微米尺度的悬浮物和高形变能力的液态金属液滴,表现出多模式强化。而且和未填充的聚合物相比,断裂能剧增了50倍。对于一些液态金属植入的弹性体组成,强度远超过了此前报道过的柔性弹性材料的最大值。这一剧烈强化作用通过增加的能量耗散和适应性的裂纹移动,以及有效消除裂纹尖端来实现。在加载时,随着液态金属植入物的形变所展现出的性能,为阻止超强软物质中的裂纹发生和抑制已有裂纹的扩展提供了一种新机制。

图文导读

图1:植入液态金属弹性体(LMEE)的力学性能表征与比较。

借助液态金属显著提高软物质强度

(A)带缺口的和易形变无裂纹扩展的软/硬的LMEE薄膜;

(B)通过加入50%体积比的液态金属,在样品拉伸应变为300%,对LMEE的极限抗撕裂性进行表征;

(C)缺口样品中,消耗外加机械功的不同机制示意图。

图2:LMEE样品和未填充弹性体的裂纹扩展情况。

(A)未填充的聚硅氧烷在缺口实验中,水平裂纹移动情况:(i)未拉伸,(ii)65%应变值,(iii)125%应变值;

(B)体积分数为30%的刚性颗粒中类似的水平裂纹移动情况:i)具有典型夹杂物形貌的样品,处于未拉伸态,ii)在应变率为200%时,典型刚性夹杂物未变形,iii)应变率为325%;

(C)50%体积分数的液态金属夹杂物的纵向裂纹移动和裂纹消失示意,LMEE样品分别处于:i)具有典型夹杂物形貌的样品,处于未拉伸态,ii) 具有典型夹杂物形貌的样品,处于100%应变率的状态,iii,iv)应变率为400%和500%时垂直撕裂移动,v)650%应变率时裂痕完全消失。光学显微镜图像(vi)-(x)代表图像中所圈区域。

图3:弹性体的力学性能随液态金属体积分数变化情况。

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(A)70mm×10mm未填充降解塑料Ecoflex样品和50%液态金属体积比的LMEE,在纯剪切试验中的应力应变曲线;

(B)未填充的Ecoflex样品和含有50%体积分数液态金属的Ecoflex样品的断裂能比较;

(C)临界应变随液态金属体积分数变化的函数关系曲线;

(D)断裂能增量随液态金属体积分数变化的函数关系曲线;

(E)区域I中LMEE和RPEE的断裂能比较;

(F)第一轮加载周期内,LMEE和RPEE复合物的断裂能增强和拉伸模量之间的关系。

小结

本文说明向软弹性体中植入微尺度的液态金属液滴可以将断裂能提高50倍。作者将这一显著提高归因于双重机制。一个是传统的力学耗散和在刚性颗粒填充的弹性体或凝胶中观察到的Mullins效应;另一个是由于高致密度导致纵向的裂纹偏移,植入软弹性体中的液态金属液滴发生延展,即所谓的Cook-Gordon机制以增强断裂强度。包括取代硬脆材料提高电子设备生物相容性。

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