??彈性體和凝膠等可拉伸材料常被用于可拉伸電子設(shè)備、軟體機器人、藥物輸送和組織再生等領(lǐng)域。而這些領(lǐng)域通常需要材料具有高韌性和低滯后性。高韌性可以消耗較多的能量來抵抗裂縫生長，低滯后性可以在拉伸和恢復(fù)過程中耗散較少的能量。然而，因為韌性和滯后是由不同的能量耗散機制引起的，通常具有相關(guān)性，難以同時滿足這兩個要求。

　　高度拉伸的單一聚合物網(wǎng)絡(luò)彈性體或水凝膠具有低滯后性和低韌性。可以通過引入犧牲鍵、纖維或多重聚合物網(wǎng)絡(luò)的方法來提升單一聚合物網(wǎng)絡(luò)的韌性。這些方法可以有效平衡韌性和滯后的關(guān)系。在含有犧牲鍵的材料中，無論是否可修復(fù)，當負載的大小超過某一閾值時，裂縫也會隨著拉伸循環(huán)不斷地生長，產(chǎn)生所謂的疲勞斷裂，使拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為復(fù)雜化，不利于在機器人、傳感器和致動器中的實際應(yīng)用。

　　美國哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的鎖志剛教授課題組打破了韌性與滯后的相關(guān)性，提出了一種在不引入犧牲鍵的前提下，同時實現(xiàn)高韌性和低滯后性的策略——即采用具有強粘結(jié)力的低彈性模量基體和高彈性模量纖維組成復(fù)合材料。有趣的是，采用的基體和纖維都具有低滯后（5％）和低韌性（300 J/m2），而其復(fù)合材料卻體現(xiàn)低滯后和高韌性（10,000J/m2）?；w和纖維都易于發(fā)生疲勞斷裂，而復(fù)合材料具有高度抗疲勞性。相關(guān)工作以“Stretchable materials of high toughness and low hysteresis”為題，發(fā)表在《PNAS》上，第一作者王正錦博士。

　　研究者首先利用制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）的復(fù)合材料來實現(xiàn)這一策略。材料前驅(qū)體分為基體（A）和固化劑（B），定義重量比為A/B = 10/1為“硬PDMS”，并將固化劑含量更小的樣品稱為“軟PDMS”。研究者將硬PDMS薄膜切割，充當纖維，再與軟PDMS混合固化，形成復(fù)合材料，并用紅色對基體進行著色，以便觀察樣品中的纖維和裂紋輪廓。

　　接著，研究者測量了不同A/B比率均相PDMS和復(fù)合PDMS韌性和滯后性，并與具有代表性可拉伸材料進行比較。結(jié)果表明復(fù)合PDMS打破了韌性與滯后的聯(lián)系，實現(xiàn)了單一聚合物網(wǎng)絡(luò)的高韌性和低滯后，同時該復(fù)合材料還具有很強的抗疲勞性。在對有預(yù)切裂縫的樣品的拉伸過程中，研究者觀察到均相的PDMS拉伸至其原始高度的1.12倍時，裂縫快速擴展并貫穿整個樣品導(dǎo)致斷裂，而復(fù)合PDMS拉伸至其原始高度1.5倍時，裂縫仍保持原有大小。在之后的循環(huán)拉伸測試中，研究者還觀察到，均相PDMS在最大拉伸1.2倍時，裂縫在第一個循環(huán)中即迅速延伸，而復(fù)合PDMS處于相同條件下，進行100,000次循環(huán)也沒有發(fā)生樣品的斷裂。

未填充的聚合物網(wǎng)絡(luò)通常具有低韌性和低滯后

軟質(zhì)基體和硬質(zhì)纖維的復(fù)合物具有高韌性和低滯后性

　　之后，研究者還發(fā)現(xiàn)當拉伸沒有預(yù)切裂縫的樣品時，均相的硬PDMS在1.9倍應(yīng)變時斷裂，均相的軟PDMS在2.5倍伸展時斷裂，復(fù)合PDMS與均相的硬PDMS的斷裂情況相同。然而，對于預(yù)切裂縫的樣品，復(fù)合PDMS表現(xiàn)出最大的斷裂伸長率。

　　最后研究者通過拉伸實驗和有限元分析證實了：基體與纖維的大模量對比減輕了裂縫前沿處的應(yīng)力集中，而二者之間的強粘附力抑制它們之間的滑動。只有當以上兩個條件同時具備時，才能獲得高韌性和低滯后的復(fù)合材料。這一高韌性低滯后的可拉伸材料為創(chuàng)建高循環(huán)和低耗散的軟機器人和軟人機界面提供了材料基礎(chǔ)。

采用粘結(jié)強度低的纖維，基體斷裂，基體與纖維分離

　　圖文速讀

　　圖1.韌性和滯后：

　?。ˋ）未填充的聚合物網(wǎng)絡(luò)通常具有低韌性和低滯后。裂縫前的聚合物鏈被高度拉伸并且在斷裂時消散鏈中的能量；（B）添加含犧牲鍵的網(wǎng)絡(luò)具有高韌性和高滯后性。將裂縫前的應(yīng)力傳遞到聚合物網(wǎng)絡(luò)整體，犧牲鍵發(fā)生斷裂并消耗大量能量；（C）軟質(zhì)基體和硬質(zhì)纖維的復(fù)合物具有高韌性和低滯后性。裂縫前的軟基體與纖維發(fā)生剪切，阻止了裂縫的擴展并且纖維斷裂時消散能量。（D）韌性-滯后圖。現(xiàn)有的彈性體和凝膠占據(jù)對角線區(qū)域，但天然橡膠和復(fù)合PDMS占據(jù)左上象限。（E）韌性-模量圖。

　　圖2.均相PDMS和復(fù)合PDMS的斷裂和疲勞：

　　（A）均相的硬PDMS在延伸率為1.12倍時破裂；（B）復(fù)合PDMS在1.85倍仍不會破裂；（C）均相的硬PDMS在1.2倍循環(huán)拉伸過程中，裂縫在第一循環(huán)中達到最大拉伸之前即迅速延伸；（D）當復(fù)合PDMS在1.2倍循環(huán)拉伸過程中，裂縫在1000個循環(huán)內(nèi)延伸到第一個纖維，但隨后在100,000個循環(huán)中沒有任何進一步延伸。

　　圖3.缺陷不敏感，低滯后和抗疲勞性：

　?。ˋ）沒有預(yù)切裂縫樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線單調(diào)上升直至斷裂；（B）具有預(yù)切裂縫樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線單調(diào)上升直至斷裂；（C）沒有預(yù)切裂縫樣品的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（D）具有預(yù)切縫樣品在伸長率1 ~ 1.2倍之間的循環(huán)時，裂縫的長度變化。

　　圖4.固化PDMS的剝離：

　　（A）硬PDMS和軟PDMS通過共價鍵和拓撲附著的示意圖；（B）三種剝離模式的照片，紅色中間層在兩個預(yù)固化的硬PDMS之間固化，其A：B比例為10：1至30：1；（C）剝離韌性取決于中間層的A與B的比例。

原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/03/07/182142011