預損傷對雙網狀水凝膠斷裂能的影響

       以凝膠為(wei) 代表的軟材料，由於(yu) 其優(you) 異的抗拉伸性能、高韌性以及易於(yu) 加工等優(you) 點被廣泛應用於(yu) 生物工程、柔性電子和軟機器人等領域。近些年的研究已發現，預損傷(shang) 將會(hui) 一定程度地提高DN水凝膠的斷裂能，但目前仍然缺乏對DN水凝膠預損傷(shang) 的係統控製和預損傷(shang) 對DN水凝膠斷裂能影響的研究。基於(yu) 此，北海道大學的Gong JianPing教授團隊通過純剪切實驗以及單邊缺口拉伸實驗，係統地控製了DN水凝膠的預損傷(shang) 程度，揭示了預損傷(shang) 對DN水凝膠裂紋萌生的影響。

       為(wei) 了係統地控製DN水凝膠的預損傷(shang) 程度，本文首先通過對無缺口的DN水凝膠施加不同程度的預拉伸，誘導DN水凝膠的脆性第一網絡出現不同程度的內(nei) 部損傷(shang) ，如圖1A所示。然後，通過滯回曲線麵積Uhys量化DN水凝膠的損傷(shang) 程度，如圖1B所示。可以看到，當λmax(施加的伸長)<λpre(預伸長)時，DN水凝膠的加卸載曲線重疊。當λmax>λpre時，DN水凝膠發生內(nei) 部損傷(shang) ，加卸載曲線出現滯後。 

圖1  (A)預拉伸誘導DN水凝膠內(nei) 部損傷(shang) 的實驗示意圖，(B) DN水凝膠的應力-應變曲線

      通過單邊缺口拉伸實驗研究預損傷(shang) 對DN水凝膠中裂紋萌生的影響，同時采用如圖2A所示的實驗裝置進行實時雙折射成像，用以捕捉DN水凝膠的裂紋擴展行為(wei) 並量化裂紋端前的損傷(shang) 區。作者根據λpre(預伸長)與(yu) λy(屈服伸長)的關(guan) 係，將DN水凝膠的應力-應變曲線分成如圖2B-C所示的兩(liang) 種階段。階段1(λpre<λy)：脆性第一網絡仍具有連續結構，起到主要承載的作用。階段2(λpre>λy)：脆性第一網絡被破壞成不連續的片段，柔性第二網絡起到主要承擔載荷的作用。為(wei) 了更好地研究DN水凝膠在斷裂過程中的能量耗散機製，作者將表觀斷裂能Γc分成兩(liang) 個(ge) 部分：Γbulk為(wei) DN水凝膠中遠離裂紋端區域的脆性第一網絡損傷(shang) 所耗散的能量，Γtip為(wei) 裂紋端附近的斷裂過程區中消耗的能量，如圖3所示。可以看到在整個(ge) 階段中Γbulk顯著降低直至為(wei) 零，而Γtip階段2中顯著上升。作者分析其可能的原因有兩(liang) 種：其一為(wei) 在較大的預拉伸下，DN水凝膠會(hui) 發生軟化，增強了材料抵抗裂紋擴展的能力。其二為(wei) 當預拉伸大於(yu) 臨(lin) 界拉伸時，被破壞成不連續片段的脆性第一網絡作為(wei) 滑動交聯，緩解了裂紋端的應力集中。

      該工作通過純剪切實驗以及單邊缺口拉伸實驗，揭示了預損傷(shang) 對DN水凝膠裂紋萌生的影響。發現DN水凝膠的斷裂能與(yu) 脆性網絡的預損傷(shang) 程度強相關(guan) ，斷裂能的增加可能源於(yu) 脆性網絡斷裂所釋放的可拉伸鏈的增韌作用。後續可借鑒該工作，使用雙折射成像等微觀表征技術研究彈性體(ti) 材料在斷裂過程中微觀結構的演化規律，輔助分析彈性體(ti) 材料斷裂過程中的能量耗散機製。

圖2 預拉伸對DN水凝膠裂紋萌生的影響。(A)實時雙折射成像示意圖，(B)應力-應變曲線，(C)臨(lin) 界拉伸-預拉伸曲線

圖3 DN水凝膠在裂紋萌生時的斷裂能

相關(guan) 論文以“Effect of Predamage on the Fracture Energy of Double-Network Hydrogels"為(wei) 題發表在《ACS Macro Lett》。