蛛絲是在自然界中能找到的最強(qiáng)韌的纖維材料之一。它強(qiáng)度是等體積的鋼絲的5倍,若是將其變得和鉛筆一樣粗,不僅僅是火車,就連戰(zhàn)斗機(jī)也能輕易被攔下。這非比尋常的力學(xué)性能吸引了大批研究者的注意力,人們希望能夠破解賦予蛛絲超強(qiáng)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)之謎,并將其化為己用。

除了蛛絲超高的強(qiáng)度外,蛛絲獨(dú)特的力學(xué)耗散性能也同樣引人注目。肌腱等生物材料在受到?jīng)_擊的時(shí)候,只有10%的能量被耗散,剩余的90%則都以彈性勢能的形式儲存起來;相比之下,蛛絲可以耗散掉70%的沖擊能量,這一特性讓蜘蛛網(wǎng)在捕獲昆蟲時(shí)不會因沖擊和掙扎而斷裂。

那么蛛絲是怎么做到如此大的能量耗散?其秘密隱藏于構(gòu)成蛛絲的絲原纖維中,其中的蛋白質(zhì)以β-折疊的形式形成物理交聯(lián),無定形區(qū)則形成卷曲盤繞的線圈結(jié)構(gòu),并存在氫鍵相互作用。當(dāng)受到外力時(shí),氫鍵斷裂,卷曲的線團(tuán)舒展,從而耗散能量。這種犧牲鍵-隱性長度(sacrificial bonds and hidden lengths,SBHL)的策略被廣泛地借鑒,并用于制備各類抗沖擊水凝膠、彈性體等材料。

但是SBHL一直都僅僅被視為一種分子設(shè)計(jì)策略,如果我們把它放大的到常規(guī)尺度,又會發(fā)生什么樣的現(xiàn)象?近日,來自加拿大蒙特利爾大學(xué)的Frederick Gosselin團(tuán)隊(duì)成功地用SBHL策略設(shè)計(jì)了一種具有超強(qiáng)抗沖擊性且透明的復(fù)合材料。上述復(fù)合材料由透明硅橡膠做基材,打印的卷繞和直線聚碳酸酯(PC)雙重纖維網(wǎng)格作為增強(qiáng)填料。當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí),這種復(fù)合材料最大能耗散掉93.7%的沖擊能量,從而避免了彈性勢能積蓄所導(dǎo)致的物體二次回彈以及嚴(yán)重的破碎。上述成果以“Spiderweb-inspired, transparent, impact-absorbing composite”為題發(fā)表于Cell Reports Physical Science。

《Cell》子刊:像蛛網(wǎng)一樣強(qiáng)韌的抗沖擊透明復(fù)合材料

1. 透明抗沖擊復(fù)合材料的制備和原理

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圖 1 透明抗沖擊材料的原理、結(jié)構(gòu)和制備流程

透明抗沖擊復(fù)合材料的制備主要分為三個(gè)步驟:1)仿蛛絲結(jié)構(gòu)PC網(wǎng)格印刷;2)透明彈性體前驅(qū)液灌注;3)熱固化。

其中對力學(xué)性能影響最大的是PC網(wǎng)格的印刷。為實(shí)現(xiàn)對蛛絲犧牲鍵和隱性長度特性的模仿,研究人員以Brun準(zhǔn)靜態(tài)幾何模型為基礎(chǔ),對網(wǎng)格的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),使其為周期性的卷繞形態(tài)。在這一形態(tài)下,環(huán)狀部分重疊的地方會在凝固過程中緊密結(jié)合,充當(dāng)犧牲鍵;環(huán)狀部分本身則作為隱性長度,在犧牲鍵斷裂后快速伸展,實(shí)現(xiàn)對沖擊力能量的進(jìn)一步耗散(圖1a、c)。利用3D打印打印上述形狀的關(guān)鍵則在于:1)控制擠出速度與打印速度之比,使擠出速度稍快,從而對熔體施加一個(gè)擠壓力使其彎曲;2)選取合適的網(wǎng)格間距、線寬和噴頭高度,以盡可能避免在打印第二層網(wǎng)格時(shí),第一層網(wǎng)格的存在干擾了流體下落的過程。

在PC網(wǎng)格打印完成后,它被固定于模具之中,然后透明彈性體前驅(qū)液被灌注進(jìn)入模具中,在固化后即可得到透明、抗沖擊的復(fù)合材料。

2. 材料透明度設(shè)計(jì)和表征

對復(fù)合材料而言,實(shí)現(xiàn)高透明度的重點(diǎn)在于選取折射率匹配的增強(qiáng)填料和基體。單純的PC網(wǎng)格(n = 1.58)由于和空氣的折射率相差過大,因而在界面處會因光的折射引起圖像失真,使得其背后的二維碼不可被識別(圖2a)。當(dāng)與較低折射率的PDMS(n = 1.41)或較高折射率的甲基苯基硅氧烷(n = 1.55)復(fù)合后,失真現(xiàn)象明顯改善,二維碼也可被識別(圖2c、d)。此外,較高的折射率匹配度也抑制了光在材料中的散射,因而甲基苯基硅氧烷復(fù)合材料的霧度也明顯低于PDMS復(fù)合材料(圖2g)。不過由于甲基苯基硅氧烷的折射率較大,其復(fù)合材料的總體透光率相比于PDMS的復(fù)合材料較低(圖2f)。

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圖 2 材料透明度表征

值得注意的是在熱固化過程中,由于PC和透明彈性體熱膨脹系數(shù)的差異,會在其界面處產(chǎn)生裂紋,使材料光學(xué)性能劣化。

3. 材料抗沖擊性表征

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圖 3 材料抗沖擊性表征

在考慮成本的基礎(chǔ)上,PDMS被選為基體進(jìn)行進(jìn)一步的抗沖擊表征。研究人員分別制備了四種材料:純彈性體、直線網(wǎng)格增強(qiáng)的復(fù)合材料、卷繞網(wǎng)格增強(qiáng)的復(fù)合材料和直線網(wǎng)格-卷繞網(wǎng)格混合增強(qiáng)的復(fù)合材料。卷繞網(wǎng)格增強(qiáng)的復(fù)合材料和直線網(wǎng)格-卷繞網(wǎng)格混合增強(qiáng)的復(fù)合材料最為類似于自然界中一種蜘蛛所紡出的網(wǎng)。其中,直線網(wǎng)格能進(jìn)一步提高復(fù)合材料的剛度(13.9 N/mm)并在沖擊過程中首先斷裂耗散一部分能量,然后卷繞網(wǎng)格的重疊處斷裂、伸展,進(jìn)一步耗散能量,這一特性能耗散93.7%的沖擊能量并保護(hù)材料不被擊穿,因而十分適合于捕獲高沖擊力的物體。

總結(jié)

通過將蛛絲犧牲鍵-隱性長度的微觀策略成功放大到宏觀復(fù)合材料設(shè)計(jì)中,研究人員開發(fā)出了一種低成本、通用的力學(xué)增強(qiáng)方式,這種策略能大大提升復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度。然而在抗沖擊過程中材料的損耗不可避免,若是能進(jìn)一步結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和自愈合設(shè)計(jì),就能夠進(jìn)一步增強(qiáng)材料的力學(xué)性能并使其具有反復(fù)使用的能力。

全文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386420302587?via%3Dihub

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