大形變的案例
清華楊忠強(qiáng)課題組Small：開(kāi)發(fā)出一種用于人工肌肉的兼具快速、大幅度可逆形變能力的電熱響應(yīng)液晶彈性體纖維
前者要求纖維產(chǎn)生大的收縮率，而后者則要求高的收縮速率。對(duì)熱響應(yīng)的LCE纖維而言，形變率由纖維所達(dá)到的溫度決定，而形變速率由纖維的升溫速率決定。通過(guò)電熱效應(yīng)操控LM-LCE纖維形變時(shí)，纖維溫度及升溫速率均可通過(guò)改變電刺激的參數(shù)進(jìn)行調(diào)控：通過(guò)調(diào)控電壓，LM-LCE纖維在各個(gè)通電時(shí)間下均可以達(dá)到約43%的最大形變率，與人類(lèi)骨骼肌的最大收縮率（>40%）相近。在15 V，0.1 s的電壓刺激下，纖維的升溫速率達(dá)到最大，約為562 °C·s-1，此時(shí)，纖維的平均形變速率也達(dá)到最大，約為284 %·s-1，是人類(lèi)骨骼肌收縮速率（>50%·s-1）的5倍以上。
圖3. 模仿人類(lèi)肱三頭肌的LM-LCE纖維驅(qū)動(dòng)的精確拋球。
最后，該團(tuán)隊(duì)展示了LM-LCE纖維作為人工肌肉對(duì)外做功的能力。設(shè)計(jì)了人工手臂以模擬投籃時(shí)肱三頭肌快速收縮做功的過(guò)程：LM-LCE纖維在脈沖電刺激下發(fā)生快速收縮，帶動(dòng)模擬前臂的投射桿將小球加速投出。由于LM-LCE纖維可以通過(guò)調(diào)控電壓及通電時(shí)間發(fā)生可控形變，因此所制備的人工手臂實(shí)現(xiàn)了對(duì)小球拋射速度和距離的精確控制。在這一過(guò)程中，LM-LCE纖維的特征功率可以通過(guò)改變輸入電能實(shí)現(xiàn)在0~367 W·kg-1的大范圍內(nèi)精確控制，且纖維輸出的最大特征功率超過(guò)了人類(lèi)骨骼肌（280 W·kg-1）。LM-LCE纖維在電致形變過(guò)程中能抬起自身重量220倍以上的物體，輸出0.6 MPa的收縮應(yīng)力，并產(chǎn)生最大417 kJ·m-3的功密度，是人類(lèi)骨骼肌性能（40 kJ·m-3）的10倍。
展開(kāi) 如何選擇拉伸速率，保證塑料拉伸測(cè)試的準(zhǔn)確度
試片在出現(xiàn)屈服之后的斷裂稱(chēng)之為韌性斷裂，試片在屈服后出現(xiàn)了較大的應(yīng)變，如果在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，試片的大形變已無(wú)法完全回復(fù)，但是如果讓試片的溫度升到玻璃化溫度Tg附近，則可發(fā)現(xiàn)，形變又回復(fù)了。這是一種高彈形變，從微觀上看，屈服點(diǎn)以后材料的大形變主要是分子鏈段運(yùn)動(dòng)，即在大外力的幫助下，本來(lái)被凍結(jié)的鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，高分子鏈的伸展提供了材料的大形變。這時(shí)由于材料處在玻璃態(tài)，即使外力除去后，也不能自發(fā)回復(fù)，而當(dāng)溫度升高到Tg以上時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)解凍，分子鏈蜷曲起來(lái)，因而形變回復(fù)，在宏觀上表現(xiàn)為彈性回縮。
高彈變形的過(guò)程是外力作用促使材料主鏈發(fā)生內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程，此過(guò)程需要的外力要小的多，而變形量卻大的多，所以在曲線上表現(xiàn)為屈服后應(yīng)力下降也就是圖上的YB段，高分子鏈段在伸展過(guò)程中所需力的大小變化不明顯，故在曲線中部出現(xiàn)比較平穩(wěn)的線段。
如果在分子鏈伸展后繼續(xù)拉伸，則曲于分子鏈取向排列，使材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高，因而需要更大的力，所以應(yīng)力又出現(xiàn)逐漸的上升，直到發(fā)生斷裂（見(jiàn)圖中的BX段）。
以斷裂點(diǎn)為起始點(diǎn)向橫作標(biāo)作垂直線，此時(shí)的封閉曲線則為整個(gè)拉伸過(guò)程中吸收的能量（見(jiàn)圖1中的斜面部分），通常曲面面積大，說(shuō)明材料的韌性好。
2. 高分子材料在拉伸強(qiáng)度上的分類(lèi)
由于高分子材料的品種繁多，它們的應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出復(fù)雜情況。若按在拉伸過(guò)程中屈服點(diǎn)的表現(xiàn)、伸長(zhǎng)率大小及其斷裂情況，大致可以分為五種類(lèi)型。它們是：(1)硬而脆，如聚苯乙烯、有機(jī)玻璃和酚醛樹(shù)脂；(2)硬而韌，如尼龍、聚碳酸酯；(3)硬而強(qiáng)，如不同配方的硬聚氯乙烯和聚苯乙烯的共混物；(4)軟而韌，如橡膠、增塑聚氯乙烯；(5)軟而弱，如柔軟的凝膠，很少用作材料來(lái)使用
3.
展開(kāi) 熱塑性彈性體光纖用于監(jiān)測(cè)極端形變
近年來(lái)，基于阻抗、電容及感應(yīng)電勢(shì)等檢測(cè)技術(shù)的電子織物傳感器得到了迅猛發(fā)展，但是，這些傳感器的組分之間的機(jī)械性能、電化學(xué)行為差異較大；而且為了保證材料能夠?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)的可逆形變，傳感材料通常需要復(fù)雜的制備過(guò)程，難以量產(chǎn)化。
為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們將光纖整合到織物中以監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)情況。傳統(tǒng)的光纖材料如石英玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯等剛性過(guò)強(qiáng)，只能監(jiān)測(cè)小范圍的形變。而彈性體、水凝膠等能允許較大形變的材料在量產(chǎn)方面又面臨諸多困難。因此，急需一個(gè)新方法和技術(shù)制備能量產(chǎn)化的、允許較大形變的材料。
麻省理工學(xué)院的Mathias Kolle教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種能量產(chǎn)化的具有優(yōu)異拉伸和彎曲性能的光纖。這種光纖由具有相似機(jī)械性能和不同折光指數(shù)的兩種透明熱塑性彈性體組成，形成殼-包層的結(jié)構(gòu)。同時(shí)利用熱塑性彈性體能夠熔融加工的優(yōu)點(diǎn)，利用一步法共擠出成型得到幾百米長(zhǎng)的光纖。與傳統(tǒng)的光纖材料相比，作者制備的光纖材料具有較好的形變能力，能夠承受極大的伸長(zhǎng)、彎曲以及壓力形變。這種光化學(xué)的耦合是量化可穿戴織物傳感器機(jī)械刺激的基礎(chǔ)。
為了評(píng)估這種光纖的性能，作者將其整合到低成本的電子器件中對(duì)幾種人體行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)：（1）膝蓋的連續(xù)彎曲；（2）手指的運(yùn)動(dòng)；（3）球落在球拍上時(shí)的壓力及位置。
圖1 光纖材料的制備及結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 光纖材料的機(jī)械及光學(xué)性能
從圖2可以看出光纖的斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到(545±35)%，伸長(zhǎng)率在40%和300%之間重復(fù)變化時(shí)，光纖表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性行為。在400~850 nm光波范圍內(nèi)，相對(duì)于短波，光纖對(duì)長(zhǎng)波具有更好的透過(guò)性，但是其光纖衰減系數(shù)卻比聚甲基丙烯酸甲酯高三個(gè)數(shù)量級(jí)。這可能是由核-包層界面存在的顆粒、氣泡以及不均勻的核直徑導(dǎo)致的。為了驗(yàn)證包層結(jié)構(gòu)存在的必要性，作者對(duì)比了核-包層結(jié)構(gòu)和只有核材料的光纖的性能。
展開(kāi) 干貨分享：橡膠的撕裂
填料對(duì)橡膠的抗撕性能有很大影響,炭黑對(duì)提高橡膠抗撕性能有良好作用。多量填充具有向異性粒子的填料、如陶土、云母粉、滑石粉等,能夠惡化抗撕性能。
加工方法也可影響抗撕性能、如壓延、壓出等過(guò)程,使橡膠大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的取向作用,抗撕性能在各方向上有明顯不同。表5-3所示是幾種橡膠的撕裂特性。
(二)橡膠撕裂能
橡膠撕裂過(guò)程的形變,具有粘彈性質(zhì)。因此,撕裂形變時(shí)的彈性?xún)?chǔ)能,促使裂口的增長(zhǎng),另一部份塑性功耗,對(duì)裂口增長(zhǎng)有抑制作用。所以,橡膠的撕裂性能就與形變時(shí)的彈性?xún)?chǔ)能有密切關(guān)系。圖5-21所示是硫化膠撕裂試樣及受力狀態(tài)。
圖21中撕裂試樣厚度h,裂口長(zhǎng)度C,試樣寬度2b,試樣兩腳長(zhǎng)1。在外力F作用下,發(fā)生撕裂破壞現(xiàn)象,即dc增大。發(fā)生撕裂破壞過(guò)程,體系的彈性?xún)?chǔ)能w應(yīng)有所降低,即dw,且彈性?xún)?chǔ)能的變化應(yīng)大于試樣的撕裂能T。即:
式(25)中,dA=hdc,表示增加的撕裂斷面積,依式(25),撕裂能可定義為：
展開(kāi) 
中科院化學(xué)所邱東研究員團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.: 低回滯納米復(fù)合水凝膠材料
彈性材料利用形變儲(chǔ)存或釋放能量，其儲(chǔ)存或釋放能量的幅度以及效率取決于彈性形變的程度以及形變過(guò)程中的能量耗散率。對(duì)于需要彈性材料重復(fù)做功的應(yīng)用場(chǎng)景而言，盡量減小其形變過(guò)程中的能量耗散率可以最大限度地發(fā)揮這類(lèi)材料的優(yōu)勢(shì)。然而，大形變往往與高能量損耗率相對(duì)應(yīng)，成為一對(duì)共生的矛盾體。比如具備超大形變能力的聚合料彈性體材料，其超大形變能力往往建立在低交聯(lián)密度基礎(chǔ)上，由此會(huì)顯著增加高分子鏈段的纏結(jié)程度，進(jìn)而在形變過(guò)程中產(chǎn)生明顯的能量耗散。雖然借助特殊的交聯(lián)方式或者交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上兼顧大形變與低能量耗散率，但是目前仍然缺乏通用的策略來(lái)解決這對(duì)矛盾。
圖1. 低回滯納米復(fù)合水凝膠材料的結(jié)構(gòu)示意及其力學(xué)行為。
針對(duì)以上問(wèn)題，近期中科院化學(xué)所邱東研究員研究團(tuán)隊(duì)基于之前的研究成果，從高分子/納米顆粒界面相互作用調(diào)控角度出發(fā)，通過(guò)將高度支化的二氧化硅納米顆粒（比表面積高達(dá)1000 m2.g-1）引入適度化學(xué)交聯(lián)的聚合物膠網(wǎng)絡(luò)，利用高界面曲率和大比表面積的協(xié)同增強(qiáng)顆粒/高分子界面作用原理，形成以超支化二氧化硅顆粒為主要交聯(lián)點(diǎn)的一類(lèi)高含水量的純彈性納米復(fù)合水凝膠材料（圖1）。在含水量達(dá)96 wt%的條件下，該類(lèi)納米復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出高達(dá)11.5倍的斷裂伸長(zhǎng)率。由于消除了凝膠網(wǎng)絡(luò)中的能量耗散機(jī)制（高分子鏈解纏結(jié)、共價(jià)鍵斷裂等），此類(lèi)納米復(fù)合水凝膠在循環(huán)載荷作用下幾乎沒(méi)有任何應(yīng)力回滯，表現(xiàn)出類(lèi)似于彈簧的純彈性力學(xué)行為。
展開(kāi) 揚(yáng)聲器有效振動(dòng)質(zhì)量非線性Mms(x)
音圈，骨架，中心膠等肯定是100%計(jì)入有效振動(dòng)質(zhì)量的，關(guān)鍵在于折環(huán)/支片等可以類(lèi)比彈簧，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大形變的部件。
從《聲學(xué)基礎(chǔ)》的理論推導(dǎo)和上述文章中的仿真過(guò)程可以知道，可以類(lèi)比彈簧的部件有效振動(dòng)質(zhì)量約為整體的1/3。
02 有效振動(dòng)質(zhì)量非線性Mms(x)
相關(guān)的研究非常少。下面只是個(gè)人的初步探討。
空氣隨動(dòng)質(zhì)量非線性Mair(x)和有效輻射面積非線性Sd(x)有關(guān)。Sd(x)的近似計(jì)算，仿真，測(cè)試方法都有在文章“揚(yáng)聲器有效輻射面積非線性Sd(f,x)”中有寫(xiě)，就不贅述了。
下面是一款環(huán)狀膜片壓縮高音Mmd(x)的仿真。
再看一款常規(guī)紙盆單元
可以看到Mmd的變化相當(dāng)小。
在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)有效振動(dòng)質(zhì)量非線性可以不予考慮，近似認(rèn)為其在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中不變是合理的。
展開(kāi) 西北大學(xué)于游教授課題組《Adv. Funct. Mater.》：任意表面的高效與抗疲勞粘接
相對(duì)于焊接或榫卯結(jié)構(gòu)而言，粘接處理更為方便、溫和，能夠極大地提升工作效率和降低成本。就其粘接過(guò)程而言，一方面借助粘合劑內(nèi)可反應(yīng)基團(tuán)（環(huán)氧、氰基丙烯酸酯、不飽和聚酯、活化酯等）或超分子相互作用實(shí)現(xiàn)材料間的快速粘接。另一方面，其粘接性能依賴(lài)于粘接劑本身的力學(xué)強(qiáng)度和韌性、與表面相互作用力大小以及界面處的應(yīng)力耗散效率。眾多研究發(fā)現(xiàn)韌性聚合物水凝膠是用作界面粘合的理想材料之一，不過(guò)要實(shí)現(xiàn)任意非選擇性表面的快速、高強(qiáng)與耐疲勞粘接仍然是一個(gè)值得思考的問(wèn)題，特別是如何完成復(fù)雜2D/3D材料或器件之間的高效粘接對(duì)發(fā)展生物與柔性電子等有著重要的參考意義。
針對(duì)上述問(wèn)題，西北大學(xué)于游課題組報(bào)道了一種新的任意表面高效粘接策略，所用粘合劑綜合性能優(yōu)于普通商業(yè)產(chǎn)品（502、ergo等），成本僅為其二十五分之一。借助快速正交化的化學(xué)反應(yīng)途徑，粘合劑在自身固化為韌性聚合物凝膠的同時(shí)，可進(jìn)一步與表面通過(guò)共價(jià)鍵合的方式形成強(qiáng)粘附作用，僅需5到50秒即可實(shí)現(xiàn)任意表面的高效強(qiáng)粘接 (~3,000 J m-2)。粘接界面在數(shù)千次大形變過(guò)程中仍然保持良好的耐疲勞特性(600 J m-2)、力學(xué)與電學(xué)穩(wěn)定性等。同時(shí)其還適用于水下操作以及各種破損的及時(shí)修復(fù)，可在-200到150攝氏度范圍內(nèi)正常使用。另外，該類(lèi)粘合劑具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性和固化可控性，可通過(guò)涂覆/打印等方式實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面強(qiáng)粘附。該策略豐富了高性能聚合物凝膠研究?jī)?nèi)容，也為理解和發(fā)展界面高效粘接提供了參考路線。
展開(kāi) 應(yīng)用ANSYS ADPL語(yǔ)言建立波紋鋼梁模型
Shell181單元非常適用于分析線性的，大轉(zhuǎn)動(dòng)變形和非線性的大形變。殼體厚度的變化是為了適應(yīng)非線性分析。在該單元的應(yīng)用范圍內(nèi)，完全積分和降階積分都是適用的。SHELL181單元闡明了以下（荷載剛度）分布?jí)簭?qiáng)的效果。 SHELL181單元可以應(yīng)用在多層結(jié)構(gòu)的材料，如復(fù)合層壓殼體或者夾層結(jié)構(gòu)的建模。
3、載荷和邊界條件
對(duì)模型施加垂直向下的力F，對(duì)兩邊進(jìn)行全約束，具體見(jiàn)下圖：
4、求解結(jié)果
通過(guò)靜力分析，得到模型在垂直載荷作用下的應(yīng)力和變形，分別見(jiàn)下圖：
5、總結(jié)
本文主要對(duì)波紋腹板鋼梁進(jìn)行建模，這里重點(diǎn)為波紋腹板的模型建立。采用APDL語(yǔ)言進(jìn)行模型建立，展示了APDL語(yǔ)言的強(qiáng)大功能。
展開(kāi) 復(fù)合邊褶皺的初步探究
01
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復(fù)合邊褶皺現(xiàn)象
根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些復(fù)合邊在大位移時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)合邊褶皺的現(xiàn)象。
這種褶皺現(xiàn)象是呈現(xiàn)周向近似周期性的，比較規(guī)律。目前這塊的研究較少，我暫時(shí)定義稱(chēng)其為“懸邊失穩(wěn)”。
在位移較大產(chǎn)品，比較薄的橡膠邊，PU邊等容易出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象。
02
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褶皺現(xiàn)象分析
最開(kāi)始覺(jué)得非常奇怪，為什么軸對(duì)稱(chēng)產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)非軸對(duì)稱(chēng)性形變？而且形變這么明顯。到底是因?yàn)椴牧线_(dá)到一定應(yīng)力的時(shí)候呈現(xiàn)各向異性？還是材料厚度生產(chǎn)工藝厚薄不一造成的？
用有限元的方式復(fù)現(xiàn)了與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相符的類(lèi)似的結(jié)果。
10mm位移時(shí)，整體位移分布：
應(yīng)力分布：
運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)圖：
通過(guò)查找相關(guān)資料，以及和同事之間相互交流。大體可以確認(rèn)這種現(xiàn)象的來(lái)源是復(fù)合邊發(fā)生了屈曲，從而造成大形變時(shí)復(fù)合邊形狀的不穩(wěn)定。
03
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解決思路
這個(gè)問(wèn)題當(dāng)然非常顯然的辦法是加厚復(fù)合邊材料。但會(huì)影響振動(dòng)質(zhì)量和靈敏度。
另一種對(duì)其他性能影響相對(duì)較小的方案是在復(fù)合邊上增加加強(qiáng)筋，從而抵消這種“懸邊失穩(wěn)”的影響。
展開(kāi) 浙大今日《Science》：首次實(shí)現(xiàn)宏觀材料的精確可逆融合與分裂！
因此這種融合組裝方法有利于制備大直徑高性能結(jié)構(gòu)材料。可逆的融合-分裂特性還可以通過(guò)GO涂層拓展到各種傳統(tǒng)的纖維材料上，如尼龍、蠶絲、不銹鋼絲、玻璃纖維等。同時(shí)這種性質(zhì)還被用來(lái)制備新型的具有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變能力的組裝結(jié)構(gòu)。如在一根致密的融合纖維與一張柔性的節(jié)點(diǎn)融合纖維網(wǎng)之間可逆轉(zhuǎn)化，在纖維與多種復(fù)雜的纖維基組裝結(jié)構(gòu)間可逆轉(zhuǎn)換等，并開(kāi)發(fā)出對(duì)多種客體的可控釋放等進(jìn)一步的應(yīng)用。因此，該研究真正實(shí)現(xiàn)了宏觀組裝體的可強(qiáng)化、可解離、可重組、可應(yīng)用的動(dòng)態(tài)多維特性。
融合與分裂過(guò)程的表征
原位的光學(xué)及偏光顯微鏡觀察顯示，在水的誘導(dǎo)下，多根纖維自發(fā)融合成沒(méi)有間隙的一根整體性纖維。整個(gè)過(guò)程伴隨著單絲直徑的大膨脹與大收縮，GO的液晶織構(gòu)從無(wú)到有再逐漸消失。融合的粗絲浸入溶劑后，先是直徑的迅速增大，液晶雙折射逐漸顯現(xiàn)，而后分裂成多根有明顯液晶織構(gòu)的纖維。
SEM追蹤表明，GO單絲溶脹后殼層結(jié)構(gòu)中的GO片沿圓周取向。干燥過(guò)程中，GO殼層發(fā)生適應(yīng)性的大形變，相互鉚合皺褶溝槽實(shí)現(xiàn)界面處的粘接。最終形成截面較圓的一根致密的融合纖維，密度為1.51 g/cm3 (圖1C, D)。分裂時(shí)，較粗的融合纖維先是整體均勻溶脹，然后大的縫隙在體積繼續(xù)膨脹時(shí)出現(xiàn)，最終分裂成多根類(lèi)圓柱形的GO纖維，該溶脹纖維具有與初始溶脹單絲相近的尺寸（平均為65μm）與結(jié)構(gòu)（圖1E, F）。分別干燥后，變成GO片致密堆疊的細(xì)絲，密度約為1.54 g/cm3。進(jìn)一步用熒光標(biāo)記和EDS驗(yàn)證，也證實(shí)融合與分裂通過(guò)GO殼層的大形變完成。整個(gè)過(guò)程中，GO單絲殼層同時(shí)起到一個(gè)保護(hù)性的屏障作用，使單絲殼層內(nèi)部相互連接的GO片不擴(kuò)散至殼外，而僅發(fā)生隨殼層自適應(yīng)的褶皺與折疊。
展開(kāi) 超高壓力下鈮鈦合金超導(dǎo)電性研究進(jìn)展
此外，在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，本項(xiàng)研究將高壓極端條件、強(qiáng)磁場(chǎng)和同步輻射等大科學(xué)裝置上的實(shí)驗(yàn)成功結(jié)合，為我國(guó)利用自己的大科學(xué)裝置聯(lián)合開(kāi)展前沿科學(xué)研究提供了一個(gè)新的范例。
（來(lái)源：中科院）
北京林業(yè)大學(xué)楊俊課題組在納米纖維素自愈合復(fù)合水凝膠方面取得系列進(jìn)展
此外，該凝膠材料還具有優(yōu)異的粘附性和應(yīng)變響應(yīng)的導(dǎo)電特性，可直接黏附到人體的皮膚上，用來(lái)檢測(cè)手指彎曲等大形變以及脈搏跳動(dòng)等微弱的生理信號(hào)。成功地將組裝后凝膠傳感器應(yīng)用于投籃訓(xùn)練姿勢(shì)矯正，并可通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在智能手機(jī)客戶(hù)端對(duì)用戶(hù)健康狀況進(jìn)行分析和診斷。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)纖維素基的多功能水凝膠提供了新的思路，拓展了可穿戴柔性電子和醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用。研究成果以“Mussel-Inspired Cellulose Nanocomposite Tough Hydrogels with Synergistic Self-Healing, Adhesive, and Strain-Sensitive Properties”為題在線發(fā)表在《Chemistry of Materials》(2018,30 (9), 3110–3121) 期刊上。
圖1 水凝膠的制備方法、形貌和形成機(jī)理
圖2 水凝膠作為應(yīng)變傳感器的應(yīng)用探索
最近，該小組根據(jù)生物體組織力學(xué)特性，將單寧酸包覆的納米纖維素均勻分散到聚乙烯醇和硼酸體系中，制備得到的凝膠材料不僅兼具高強(qiáng)度和快速修復(fù)能力，還展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)變硬化特性和動(dòng)態(tài)粘附性，這種具有仿生動(dòng)態(tài)力學(xué)特征的凝膠材料與人體軟骨組織具有相似性，為后續(xù)探索其在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的途徑。該研究成果以“Mimicking Dynamic Adhesiveness and Strain Stiffening Behavior of Biological Tissues in Tough and Self-Healable Cellulose Nanocomposite Hydrogels”為題在線發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》 期刊上。
展開(kāi) 南開(kāi)大學(xué)張振杰課題組 Angew：一類(lèi)剛?cè)岵?jì)晶態(tài)交聯(lián)聚合物用作蒸氣制動(dòng)器
近期，張振杰課題組研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了聚乙二醇（PEG）橋連的柔性低聚物作為“大分子單體”，進(jìn)而與剛性小分子連接器通過(guò)共價(jià)鍵進(jìn)行有序組裝，原位成型制備了一系列自支撐的新型晶態(tài)交聯(lián)聚合物（CCPs）膜。該材料在溶劑蒸氣刺激下可進(jìn)行可逆的彎曲機(jī)械響應(yīng)。這項(xiàng)工作首次實(shí)現(xiàn)了高結(jié)晶度交聯(lián)聚合物的可控合成，并拓展了晶態(tài)聚合物網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。
圖1. 利用室溫界面合成，制備CCPs膜的示意圖
作者設(shè)計(jì)合成了不同PEG長(zhǎng)度的柔性大分子單體（圖1），通過(guò)室溫界面醛肼聚合，獲得了高柔韌性的自支撐膜。通過(guò)X射線粉末衍射等測(cè)試，證明CCPs膜具有較高的結(jié)晶度和化學(xué)穩(wěn)定性。機(jī)械性能等測(cè)試表明，由于骨架中同時(shí)引入剛性和柔性構(gòu)筑單元，所得到的CCPs膜兼具結(jié)構(gòu)剛性（增強(qiáng)穩(wěn)定性）和柔性（保障大形變），同時(shí)又具有多孔性利于促進(jìn)蒸氣分子吸附。從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，隨著高分子構(gòu)筑單體中聚乙二醇鏈長(zhǎng)的增加，相應(yīng)的CCPs材料的機(jī)械性能明顯增加（圖2）。掃描電鏡結(jié)果顯示，CCPs膜上層具有光滑致密的結(jié)構(gòu)，而底層具有粗糙形貌。這種不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致膜兩側(cè)存在氣體吸附速率/容量的差異，利于膜在蒸氣刺激下定向變形。性能測(cè)試證明CCPs膜的確表現(xiàn)出優(yōu)良的氣驅(qū)動(dòng)性能（如定向彎曲），并表現(xiàn)出良好的可逆性和穩(wěn)定性（圖3）。進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于此類(lèi)新型智能材料的氣驅(qū)動(dòng)仿生功能（如模擬花朵開(kāi)合）。
圖2. CCP400-1膜的掃描電鏡圖；CCPs膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.
圖3. a）CCP400-1膜在蒸氣驅(qū)動(dòng)下發(fā)生可逆定向彎曲。b）彎曲行為的可逆循化性。
展開(kāi) 《Science》子刊：利用分子滑輪交聯(lián)劑制備高韌性、透明彈性體
彈性體具有交聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò)，在小外力的作用下可以發(fā)生大形變，并在外力被移除時(shí)返回其初始狀態(tài)。彈性體因其柔性和可逆形變的特點(diǎn)，常被用于汽車(chē)，飛機(jī)，建筑物中。彈性體的研究對(duì)于未來(lái)的醫(yī)療產(chǎn)品、柔性顯示器、軟體機(jī)器人的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。除了柔性和彈性之外，韌性也是彈性體滿(mǎn)足產(chǎn)品需求的重要性能指標(biāo)之一。
通常，對(duì)于具有常規(guī)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的彈性體，提高其韌性勢(shì)必影響其延展性和彈性，為達(dá)到材料的需求，必須權(quán)衡多種性能。例如，將大量填料（炭黑等）引入彈性體中，能有效提升其韌性，但會(huì)損害材料的透明度，限制了該材料在柔性顯示器和軟體機(jī)器人中的使用。
近期，日本名古屋大學(xué)分子與高分子化學(xué)系的Yukikazu Takeoka課題組與東京大學(xué)先進(jìn)材料科學(xué)系的Koichi Mayumi、Kohzo Ito課題組通過(guò)使用由環(huán)狀分子和線性聚合物組成的聚輪烷（PR）作為交聯(lián)劑，成功地制備了易于制造且具備良好延展性和高韌性的光學(xué)透明彈性體，并通過(guò)原位小角X射線散射（SAXS）技術(shù)首次觀察到由于PR交聯(lián)劑的滑動(dòng)引起的構(gòu)象變化。
研究者向聚乙二醇和α-環(huán)糊精組成的PR上引入大量乙烯基，成功獲得PR交聯(lián)劑，并利用該交聯(lián)點(diǎn)可滑動(dòng)的多官能度交聯(lián)劑與MEO2MA單體進(jìn)行聚合，制備了不同交聯(lián)度的透明高韌性彈性體。
通常，具有常規(guī)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的彈性體由于在高交聯(lián)密度下失去伸長(zhǎng)性而易于破裂。研究者發(fā)現(xiàn)，與通過(guò)常規(guī)交聯(lián)劑（EGDMA）制得的彈性體相比，隨著交聯(lián)密度的增加，使用PR交聯(lián)劑制備的透明彈性體的韌性隨其楊氏模量而增強(qiáng)，這表明PR交聯(lián)的彈性體與傳統(tǒng)交聯(lián)彈性體結(jié)構(gòu)是完全不同的。由于可移動(dòng)的輪烷結(jié)構(gòu)的存在，彈性體中的聚合物鏈更易移動(dòng)，使得形變過(guò)程中更大比例的能量用于材料的塑性流動(dòng)中。
圖文速讀
圖1 使用聚輪烷交聯(lián)劑和通用交聯(lián)劑制備的彈性體的機(jī)械性能對(duì)比。
展開(kāi) 認(rèn)識(shí)材料的韌性！
是指材料受到使其發(fā)生形變的力時(shí)對(duì)折斷的抵抗能力，其定義為材料在破裂前所能吸收的能量與體積的比值。
材料變形時(shí)吸收變形力的能力。
材料的斷裂前吸收能量和進(jìn)行塑性變形的能力。與脆性相反，材料在斷裂前有較大形變、斷裂時(shí)斷面常呈現(xiàn)外延形變，此形變不能立即恢復(fù)，其應(yīng)力--形變關(guān)系成非線性、消耗的斷裂能很大的材料。
通常以沖擊強(qiáng)度的大小、晶狀斷面率來(lái)衡量。韌性是表示材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力。韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。韌性的材料比較柔軟，它的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率、抗沖擊強(qiáng)度較大；硬度、拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量相對(duì)較小。而剛性材料它的硬度、拉伸強(qiáng)度較大；斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度就可能低一些；拉伸彈性模量就較大。彎曲強(qiáng)度反應(yīng)材料的剛性大小，彎曲強(qiáng)度大則材料的剛性大，反之則韌性大。在ASTMD790彎曲性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中說(shuō)，這些測(cè)試方法適合于剛性材料也適合于半剛性材料。未說(shuō)它適合于韌性材料，所以韌性很大的彈性體是不會(huì)去測(cè)試彎曲強(qiáng)度的。以上說(shuō)的韌性和剛性與測(cè)試的力學(xué)性能關(guān)系是相對(duì)的。可能會(huì)出現(xiàn)意外。例如用玻纖增強(qiáng)塑料后，它的剛性變大，但也可能出現(xiàn)拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都增加的可能。
在沖擊，震動(dòng)荷載作用下，材料可吸收較大的能量產(chǎn)生一定的變形而不破壞的性質(zhì)稱(chēng)為韌性或沖擊韌性。建筑鋼材(軟鋼)、木材、塑料等是較典型的韌性材料。路面、橋梁、吊車(chē)梁及有抗震要求的結(jié)構(gòu)都要考慮材料的韌性。剛性和脆性一般是連在一起的。脆性是指當(dāng)外力達(dá)到一定限度時(shí)，材料發(fā)生無(wú)先兆的突然破壞，且破壞時(shí)無(wú)明顯塑性變形的性質(zhì)。脆性材料力學(xué)性能的特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，破壞時(shí)的極限應(yīng)變值極小。磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、鑄鐵等都是脆性材料。與韌性材料相比，它們對(duì)抵抗沖擊荷載和承受震動(dòng)作用是相當(dāng)不利的。作為工程塑料，我們希望它同時(shí)具有良好的韌性和剛性。
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