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北京化工大学胡君教授团队《Adv. Mater.》：利用双动态界面愈合策略构建仿生一体化拉胀弹性体

时间：2023-07-19 来源： 浏览：

北京化工大学胡君教授团队《Adv. Mater.》：利用双动态界面愈合策略构建仿生一体化拉胀弹性体

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负泊松比（NPR）材料又称拉胀材料，是一种新型超材料，在轴向拉伸时表现出横向膨胀的特性（图1），其性能一般主要受几何结构单元而非化学成分的影响。这一固有特性使得拉胀材料突破了人们对常规材料力学性能的认知局限，在基础研究、工程应用以及日常生活中具有重要意义。
图1 负泊松比材料拉伸示意图
近年来，受益于先进增材制造技术和减材技术的快速发展，拉胀材料实现了许多自然界罕见甚至不存在的反直觉性能。然而，这些拉胀材料往往是通过剪裁或其他造孔工艺引入几何结构以达到NPR效果，其断裂强度、断裂伸长率等力学性能下降严重。为了解决这一难题， 北京化工大学 胡君教授课题组 受自然界中骨架-基质结构的启发， 通过在高模量骨架中引入凹角波纹几何形状，同时构筑具有互补几何形状的低模量基质，利用氢键和二硫键实现双动态界面愈合，开发出一种具有NPR效应的一体化拉胀弹性体 （IAE，图2）。
IAE宏观上为平整、无孔、连续的弹性材料，拉伸力为92 N，在拉伸至104%的应变范围内保持-0.13～0的泊松比值。IAE同时实现高机械强度、良好缺陷容限性和拉胀效应是由三个主要因素推动的：（1）低模量基质提供良好的延展性，承受大变形的同时分散应力，与高模量骨架协同提高材料整体的机械强度；（2）多重氢键和二硫键的双动态愈合使得骨架与基体之间不存在界面问题；（3）骨架的旋转、弯曲、拉伸与基质的延性相结合，使IAE具有可调节的NPR效应。
图2 一体化拉胀弹性体（IAE）的组装示意图
拉伸试验表明：基质的引入显著改善了IAE的力学性能（图3）。IAE的断裂强度增加了5倍，断裂伸长率增加了1.5倍。在整个拉伸过程中，能量由小应变向大应变耗散，增强了IAE的韧性。在IAE变形时，相互连接的硬骨架不仅有效承受载荷，而且优先破裂耗散能量，避免应力集中，抵抗裂纹扩展。软基体在破裂时起到缓冲作用，帮助耗散能量，提高IAE的整体力学性能。有限元模拟分析证实，IAE相对均匀的应力分布削弱了硬骨架与软基体之间的应力集中，避免了剥离风险，保证了IAE的稳定形变过程。
图3 具有优异机械和拉胀性能的一体化拉胀弹性体（IAE）
本工作解决了常规减材制造后拉胀材料力学性能下降的问题，互补形状填充和双动态界面愈合过程也为模块化非均质材料的自动化制造铺平了道路，用以制备先进超材料功能产品。该工作于2023年7月12日以“Bio-inspired Integrated Auxetic Elastomers Constructed by Dual Dynamic Interfacial Healing Strategy”为题发表于Advanced Materials。第一作者为北京化工大学软物质高精尖创新中心博士生 郑智然 ，通讯作者为北京化工大学 胡君教授 和巴黎高科化学学院 李敏慧教授 ，北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心为第一通讯单位。
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原文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304631
来源：高分子科学前沿
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