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國際新研發：纖維增強軟復合材料 超越金屬為史上韌軟復合材料

日期：2020-07-03 來源：高分子科學前沿 瀏覽：2155

纖維增強軟復合材料由于其諸多優異性能在工業中有非常廣泛的應用。傳統的纖維增強軟復合材料通常由軟硬兩種組分經過層壓制成，軟相一般為橡膠等彈性體，硬相一般為纖維織物。這類軟/硬結合能夠使得復合材料在拉伸時表現出優于金屬的高比強度，而在彎曲時又具有良好的柔韌性。盡管目前工業上的軟復合材料已經發展得比較成熟，但這類材料有一個通?。狠^弱的抗撕裂性。即一旦出現裂紋，材料性能將會大幅度下降。因此，如果能提高傳統纖維增強軟復合材料的抗撕裂性，將大幅度提高材料的使用壽命，降低工業成本。
　　
　　材料的抗撕裂性，或者說韌性（toughness），一般由斷裂能（Г）來表征。這一材料屬性通常受兩個參數影響：1）能量耗散區域的尺寸大小（lT）；2）耗散區域內的能量耗散密度（W）。這三者之間存在Г=W·lT的關系。因此，若要提高材料的抗撕裂性，則需要考慮同時提高lT和W 。理論上來說， lT與復合材料的纖維/基體模量比成正比關系，W則依賴于纖維和基體的能量耗散能力。
　　
　　基于以上理論，北海道大學龔劍萍教授團隊使用一種兼具粘性（adhesive）,低模量(soft)，高韌性（tough）的新型粘彈性體（viscoelastomer）與高強度高模量纖維織物結合，成功制備出斷裂能高達2500 kJ m-2的纖維增強軟復合材料，遠優于目前工業上的任何高韌性材料。同時該軟復合材料還具有高強度，低密度，有望在對安全性要求極高的領域中得到應用。
　　
　　相關工作發表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 1907180)上。論文的作者為北海道大學生命科學學院博士生崔為，通訊作者為北海道大學龔劍萍教授。　
　　設計策略及基體選擇：
　　
　　為了同時優化W和lT兩項參數，必須在滿足界面不破壞的情況下，大限度地提高纖維/基體模量比以及兩種組分的韌性（圖1a）。基體的選擇便變得尤為重要。傳統的橡膠等基體能夠賦予材料較高的模量比，也具有較高的韌性，但界面脫粘往往導致復合材料還未達到W和lT的理論值便已損壞，因此終的斷裂能較低（101-102 kJ m-2）。此工作選用的粘彈性體（圖1b）可直接由液態單體聚合而成，在聚合前可以充分浸潤纖維束，從而在聚合后同時形成互鎖（interlocking）及粘接（interfacial bonding）結構。更重要的是，該基體兼具粘性（adhesive）,低模量(soft)，高韌性（tough） （圖1c） ，種性能保證了受力過程中的界面完整性（圖1d, e） ，使得纖維/基體之間有極好的力學傳遞，第二種性質使得復合材料具有高纖維/基體模量比，從而具有很高的lT ，后一種性質賦予復合材料很高的W，終賦予復合材料極高的斷裂能。

　　
超強性能：
　　
　　新型纖維增強軟復合材料同傳統軟復合材料一樣具有良好的柔韌性（圖2a）,但卻表現出更加優越的抗撕裂性能（圖2b）。單軸拉伸測試表明該復合材料相比于單獨的纖維織物或基體有更高的拉伸強度（圖2c），撕裂測試則表明該復合材料的斷裂能比單獨的纖維織物或基體高出了三個數量級（圖2d）。

圖2. 新型纖維增強軟復合材料的各項優異性能。
　　
超強韌性要素一：高纖維/基體模量比導致的超大的lT
　　
　　通過選用兩種相同化學組分但不同單體摩爾比的基體，與同一種纖維織物結合，可以對軟復合材料的纖維/基體模量比進行調控，從而驗證模量比與lT之間的關系。結果表明，在較大尺寸下，具有高模量比的軟復合材料能夠達到更高的斷裂能（圖3a）。寬度依賴性測試則表明，具有高模量比的軟復合材料具有更大的lT實驗值（由w2進行表示，圖3b）。在此工作中，纖維/基體模量比高達105 。對多種不同纖維/基體組成，不同測試速度的軟復合材料測試表明，其lT實驗值與纖維/基體模量比的1/2次方成正比（圖3c）。該關系僅在纖維/基體界面不破壞的條件下成立（圖3d）。

圖3. 纖維/基體模量比對新型軟復合材料lT的影響。
　　
超強韌性要素二：高韌性纖維及基體導致的超大W
　　
　　在闡明決定lT的決定因素后，作者發現，該工作中的纖維增強軟復合材料，其W值由兩種組分（纖維及粘彈性體）的體積平均能量耗散密度加權值決定（圖4a）。在此工作中，兩種組分的能量耗散密度達到107J m-3。
　　
與傳統強韌工業材料的對比
　　
　　由于此纖維復合材料兼具高lT（達到厘米級）和高W，其斷裂能遠高于現有工業材料（圖4b） 。將此工作中的材料與工業上常見的多種材料進行對比，可以發現其兼具了高強度，高模量，高韌性，低密度的優異性能（圖4b,c,d,e,f），這是現有工業材料難以達到的。
　　
　　這份工作從制備纖維增強復合材料的基本理論出發，挑選出了理想的纖維/基體組合，成功開發出兼具多項優異性能的新型軟復合材料，為超強超韌材料的制備提供新的指導思路。
纖維增強軟復合材料由于其諸多優異性能在工業中有非常廣泛的應用。傳統的纖維增強軟復合材料通常由軟硬兩種組分經過層壓制成，軟相一般為橡膠等彈性體，硬相一般為纖維織物。這類軟/硬結合能夠使得復合材料在拉伸時表現出優于金屬的高比強度，而在彎曲時又具有良好的柔韌性。盡管目前工業上的軟復合材料已經發展得比較成熟，但這類材料有一個通?。狠^弱的抗撕裂性。即一旦出現裂紋，材料性能將會大幅度下降。因此，如果能提高傳統纖維增強軟復合材料的抗撕裂性，將大幅度提高材料的使用壽命，降低工業成本。
　　
　　材料的抗撕裂性，或者說韌性（toughness），一般由斷裂能（Г）來表征。這一材料屬性通常受兩個參數影響：1）能量耗散區域的尺寸大?。╨T）；2）耗散區域內的能量耗散密度（W）。這三者之間存在Г=W·lT的關系。因此，若要提高材料的抗撕裂性，則需要考慮同時提高lT和W 。理論上來說， lT與復合材料的纖維/基體模量比成正比關系，W則依賴于纖維和基體的能量耗散能力。
　　
　　基于以上理論，北海道大學龔劍萍教授團隊使用一種兼具粘性（adhesive）,低模量(soft)，高韌性（tough）的新型粘彈性體（viscoelastomer）與高強度高模量纖維織物結合，成功制備出斷裂能高達2500 kJ m-2的纖維增強軟復合材料，遠優于目前工業上的任何高韌性材料。同時該軟復合材料還具有高強度，低密度，有望在對安全性要求極高的領域中得到應用。
　　
　　相關工作發表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 1907180)上。論文的作者為北海道大學生命科學學院博士生崔為，通訊作者為北海道大學龔劍萍教授。
　
　　設計策略及基體選擇：
　　
　　為了同時優化W和lT兩項參數，必須在滿足界面不破壞的情況下，大限度地提高纖維/基體模量比以及兩種組分的韌性（圖1a）?；w的選擇便變得尤為重要。傳統的橡膠等基體能夠賦予材料較高的模量比，也具有較高的韌性，但界面脫粘往往導致復合材料還未達到W和lT的理論值便已損壞，因此終的斷裂能較低（101-102 kJ m-2）。此工作選用的粘彈性體（圖1b）可直接由液態單體聚合而成，在聚合前可以充分浸潤纖維束，從而在聚合后同時形成互鎖（interlocking）及粘接（interfacial bonding）結構。更重要的是，該基體兼具粘性（adhesive）,低模量(soft)，高韌性（tough） （圖1c） ，種性能保證了受力過程中的界面完整性（圖1d, e） ，使得纖維/基體之間有極好的力學傳遞，第二種性質使得復合材料具有高纖維/基體模量比，從而具有很高的lT ，后一種性質賦予復合材料很高的W，終賦予復合材料極高的斷裂能。
　　
　　
超強性能：
　　
　　新型纖維增強軟復合材料同傳統軟復合材料一樣具有良好的柔韌性（圖2a）,但卻表現出更加優越的抗撕裂性能（圖2b）。單軸拉伸測試表明該復合材料相比于單獨的纖維織物或基體有更高的拉伸強度（圖2c），撕裂測試則表明該復合材料的斷裂能比單獨的纖維織物或基體高出了三個數量級（圖2d）。
　　
圖2. 新型纖維增強軟復合材料的各項優異性能。
　　
超強韌性要素一：高纖維/基體模量比導致的超大的lT
　　
　　通過選用兩種相同化學組分但不同單體摩爾比的基體，與同一種纖維織物結合，可以對軟復合材料的纖維/基體模量比進行調控，從而驗證模量比與lT之間的關系。結果表明，在較大尺寸下，具有高模量比的軟復合材料能夠達到更高的斷裂能（圖3a）。寬度依賴性測試則表明，具有高模量比的軟復合材料具有更大的lT實驗值（由w2進行表示，圖3b）。在此工作中，纖維/基體模量比高達105 。對多種不同纖維/基體組成，不同測試速度的軟復合材料測試表明，其lT實驗值與纖維/基體模量比的1/2次方成正比（圖3c）。該關系僅在纖維/基體界面不破壞的條件下成立（圖3d）。
　　
圖3. 纖維/基體模量比對新型軟復合材料lT的影響。
　　
超強韌性要素二：高韌性纖維及基體導致的超大W
　　
　　在闡明決定lT的決定因素后，作者發現，該工作中的纖維增強軟復合材料，其W值由兩種組分（纖維及粘彈性體）的體積平均能量耗散密度加權值決定（圖4a）。在此工作中，兩種組分的能量耗散密度達到107J m-3。
　　
與傳統強韌工業材料的對比
　　
　　由于此纖維復合材料兼具高lT（達到厘米級）和高W，其斷裂能遠高于現有工業材料（圖4b） 。將此工作中的材料與工業上常見的多種材料進行對比，可以發現其兼具了高強度，高模量，高韌性，低密度的優異性能（圖4b,c,d,e,f），這是現有工業材料難以達到的。
　　
　　這份工作從制備纖維增強復合材料的基本理論出發，挑選出了理想的纖維/基體組合，成功開發出兼具多項優異性能的新型軟復合材料，為超強超韌材料的制備提供新的指導思路。

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