在自然界，“人小鬼大”的生物非常多，它们往往能够将看似矛盾的性能结合到自己身上，表现出不可思议的力学行为。比如“小尺寸”蚂蚁通常却是“高机械性能”大力士。

世界上的尖端应用（软体迷你机器人，先进医疗器械等）往往就需要整合一系列矛盾的优异性能，比如小尺寸，低弯曲刚度，高强度，高韧性。分子尺度的软复合材料如双网络材料，纳米复合材料，能够实现上述部分性能的结合，但要将这些优异但相互矛盾的性能全部整合到一个材料体系仍然是一个巨大挑战。

近日，日本北海道大学的龚剑萍教授团队在Cell姊妹刊Matter上发表题为“Tinyyet tough: Maximizing the toughness of fiber-reinforced soft composites in the absence of a fiber-fracture mechanism”的研究成果。该研究提出了一种简便通用的力学模型，能够精准预测并优化小尺寸下软复合材料的断裂韧性，成功在材料体系上实现了“小尺寸”和“高韧性”两种看似矛盾的性能结合。论文通讯作者是龚剑萍、Daniel R. King; 第一作者是崔为。

【纤维增强软复合材料的尺寸依赖性】

该团队在2020年通过结合高强度高模量纤维及低模量高韧性高粘附性粘弹性体，开发出了一种超强韧的软复合材料（Adv. Mater., 2020, 32, 1907180）, 最高断裂韧性可达2500 kJ m-2, 超越现有已知材料。作者通过系统研究该复合材料体系在不同尺寸的断裂行为，发现其主要呈现三种断裂方式：纤维抽出（小尺寸），纤维抽出/纤维破坏并存（中尺寸），以及纤维破坏（大尺寸）。不同的断裂方式会显著影响软复合材料的断裂韧性。在2020年的工作中，大尺寸下软复合材料断裂行为及增韧机理已经被阐明。如果能够理解该材料在小尺寸下的断裂机理并进行优化，将非常有助于开发兼具“小尺寸”和“高性能”的新型材料。

"

图1. 纤维增强粘弹性体软复合材料在不同尺寸下的断裂韧性。

【纤维增强软复合材料的微观结构】

要阐明该软复合材料在小尺寸下的增韧机理，一个重要前提便是弄清楚其纤维抽出的破坏方式所导致的结果是基体破坏还是界面脱粘。作者首先通过SEM观察软复合材料的微观结构，发现纤维束内部被基体充分包围，且横向与纵向纤维束之间的缝隙也被基体充分填满。该结果表明低粘度预聚液在聚合前充分浸润进入纤维束内部，有利于基体与纤维的良好粘接。

图2. 通过SEM观察软复合材料的微结构。

【小尺寸软复合材料的破坏行为及模型建立】

通过观察小尺寸软复合材料在撕裂测试中不同时间点的纤维及基体状态，作者发现其破坏方式为纤维抽出导致的基体破坏而非界面脱粘。这也解释了为什么该软复合材料在小尺寸下也能达到极高的断裂韧性，因为基体破坏所耗散的能量远远高于界面脱粘的耗散能。根据小尺寸软复合材料特殊的破坏方式，作者建立了相应的力学模型，用于预测和优化复合材料在该破坏方式下的断裂韧性。该模型指出，复合材料在纤维抽出的破坏方式下，其断裂韧性与基体韧性，纤维几何参数，以及样品本体宽度三个因素有关。该模型也指出，即使纤维本身不通过破坏耗散能量，其存在也会显著影响复合材料断裂韧性。

"

图3. 软复合材料的纤维抽出行为。

"

图4. 根据软复合材料的纤维抽出行为建立相应纤维抽出的力学模型。

【实验验证】

为了验证上述断裂模型的准确性，作者系统地测试了一系列条件下软复合材料的断裂韧性，包括改变基体，改变纤维，改变测试速度。根据实验结果，作者对力学模型进行了简单修正，但总体结论依旧不变，即基体韧性，纤维几何参数，和本体宽度为三个重要影响因素。同时作者验证了该力学模型的通用性，发现其在众多软复合材料体系中均可适用。最后，作者通过定义韧性放大因子强调了纤维几何参数的重要性，即纤维本身不参与能量耗散，但其存在会显著影响应力传递及最终的复合材料断裂韧性。

"

图5：力学模型的实验结果验证。

"

图6：力学模型的通用性。

"

图7：韧性放大因子。

新材料新闻