通过具有牺牲键和隐藏长度的微结构热塑性纤维增韧弹性体

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:05
文章英文标题
Toughening elastomers via microstructured thermoplastic fibers with sacrificial bonds and hidden lengths
正文
能够发生较大非弹性变形的软材料在刚度、强度和韧性相结合的高性能珍珠岩型建筑材料中发挥着至关重要的作用。这些建筑用材料中由玻璃或陶瓷制成的刚性‘积木’缺乏非弹性变形能力,从而依靠粘合在这些积木上的软界面材料来实现大变形和高韧性。在此,我们提出了将具有牺牲键和隐藏长度的微结构热塑性纤维嵌入到广泛使用的弹性体中,在软材料中实现大的非弹性变形和高能耗的概念。微结构光纤是利用商用3D打印机上熔融的聚碳酸酯( PC )螺纹的流体-机械不稳定性来制备的。聚二甲基硅氧烷( PDMS )树脂浸润在纤维周围,固化后形成软复合材料。通过断裂试验分析了复合材料的破坏机理和损伤容限。发现高能量耗散与牺牲键和弹性体基体的多重断裂事件有关。与纯弹性体相比,将微结构纤维与直纤维复合后,弹性体的刚度提高了α = 17倍,失效总能量提高了α = 7倍。我们的发现将牺牲键和隐长度增韧机制应用于微观尺度的软材料中,将有助于开发具有高性能的仿生层合复合材料。
文章内容(英文)
Soft materials capable of large inelastic deformation play an essential role in high-performance nacre-inspired architectured materials with a combination of stiffness, strength and toughness. The rigid “building blocks” made from glass or ceramic in these architectured materials lack inelastic deformation capabilities and thus rely on the soft interface material that bonds together these building blocks to achieve large deformation and high toughness. Here, we demonstrate the concept of achieving large inelastic deformation and high energy dissipation in soft materials by embedding microstructured thermoplastic fibers with sacrificial bonds and hidden lengths in a widely used elastomer. The microstructured fibers are fabricated by harnessing the fluid-mechanical instability of a molten polycarbonate (PC) thread on a commercial 3D printer. Polydimethylsiloxane (PDMS) resin is infiltrated around the fibers, creating a soft composite after curing. The failure mechanism and damage tolerance of the composite are analyzed through fracture tests. The high energy dissipation is found to be related to the multiple fracture events of both the sacrificial bonds and elastomer matrix. Combining the microstructured fibers and straight fibers in the elastomer composite results in a ∼ 17 times increase in stiffness and a ∼ 7 times increase in total energy to failure compared to the neat elastomer. Our findings in applying the sacrificial bonds and hidden lengths toughening mechanism in soft materials at the microscopic scale will facilitate the development of novel bioinspired laminated composite materials with high mechanical performance.
来源出处
Journal|[J]Extreme Mechanics LettersVolume 43, 2021.
DOI
https://doi.org/10.1016/J.EML.2021.101208

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