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美国莱斯大学科学家受自然界线索启发,创建出兼具柔性和刚性的液固复合材料

2017-07-17 223浏览 标签: 复合材料

2017年7月10日,美国莱斯大学(Rice University)通过官网发布消息称,该校一组材料科学家受自然界中诸如人类脊椎的椎间盘和深海鱼类的皮肤等线索启发,创建出能兼具柔性和刚性这看似矛盾但实际可行的液固复合材料。相关研究论文发表至7月5日的“Advanced Materials Interfaces(先进材料界面)”期刊上,论文题目为“Nature Inspired Strategy to Enhance Mechanical Properties via Liquid Reinforcement(自然启发战略-通过液体强化来增强材料的机械性能)”,论文的第一作者是莱斯大学研究生Peter Owuor,其他研究人员包括研究科学家Chandra Sekhar Tiwary,Pulickel Ajayan教授实验室和Jun Lou教授实验室的部分成员。他们通过研究发现,可以通过将微小的液体镓注入柔性软质的硅基聚合物来增加其刚度(或弹性模量)。这项研究得到了美国空军科学研究办公室的支持。

Peter Owuor表示,60年来复合材料设计中的常规智慧是添加一种较硬的物质来增加模量,添加一种较软的物质来降低模量。在大多数情况下,这是正确的。他说:“但是人们并未真正看清这一现象,那么能否将一些柔软的物质添加到一些同样柔软的其他物质中,并获得更高的模量?如果你观察自然世界,你就会发现很多这样的例子。作为材料科学家,我们想研究这一点,不是从生物学角度出发,而是从机械学的角度来研究。”

例如,人类脊椎的椎间盘,由外部坚硬的纤维环和内部柔软而富有弹性的白色半流质胶状髓核构成。椎间盘既坚韧,又富弹性,承受压力时被压缩,除去压力后又可复原,其作用类似于减震器和韧带。而深海鱼类和海洋哺乳动物的皮肤包含无数个充满流体的“细管”,允许它们承受深海数千英尺处的强大压力表面。

莱斯大学材料科学与纳米工程系博士后研究员Chandra Sekhar Tiwary说:“选择用于建模这些生活系统的基本材料比较容易,但找到一种能将它们聚集在一起模仿自然的方式被证明是十分困难的。”

研究人员选择聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,简称PDMS)作为液体软包封装层,因为一般情况下PDMS廉价、惰性、无毒,是最广泛使用的硅基有机聚合物材料,可应用于生物微机电中的微流道系统、填缝剂、润滑剂、隐形眼镜、化妆品和食品添加剂等各个领域;而随着聚合度的提高,PDMS会呈现出固体状态,这些特性使其成为研究团队封装液体的首选材料。液体材料方面研究人员选择了镓,像一样汞在室温下是液态,但不同于汞,镓是无毒的,相对容易使用。

Owuor表示花了将近四个月的时间,找到了一种在PDMS内封装镓液滴的配方。他的测试样品直径相当于硬币大小,厚度是四分之一英寸。通过缓慢地固化PDMS,Owuor开发了一种可以添加各种尺寸镓液滴的方法。一些样品中包含一个大的内室,其他样品中包含多达几个的离散液滴。随后,研究人员对每个样品进行数十次测试。使用动态力学分析仪测量材料在负载下的变形程度,并在各种条件下测量各种参数,如刚度,韧性和弹性。针对通过相对少量的冷却,可以将镓液体变成固体这一情况,研究人员也进行了充分考虑和实验论证。

Roy Mahapatra和 Shashishekarayya Hiremath是来自来自印度班加罗尔印度科学研究所的合作者,他们使用有限元分析建模和流体动力学模拟来帮助团队分析材料在机械应力下的行为。在此基础上,研究人员确定,镓液滴赋予复合材料较高的能量吸收和耗散特性。

Tiwary表示:“我们发现将液体封装在固体中,并不总是会使其变得更柔软,通过我们的合作者的工作,我们能够解释这一原因。接下来,我们希望通过这种理解来设计材料以利用这些属性。”

图 莱斯大学纳米材料实验室科学家受自然界线索启发,创建出硅镓复合材料

(来源:莱斯大学,摄影:Jeff Fitlow

 

图 研究人员研究如何通过封装的镓液滴来增加硅基材料的刚度

(来源:莱斯大学,摄影:Jeff Fitlow

 

图 镓在室温下是液体

(来源:莱斯大学,摄影:Jeff Fitlow

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