哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的科学家们提高了颗粒增强橡胶的疲劳阈值，它们开发出了一种新的多尺度方法，使这种材料能够承受高负荷，并在反复使用中抵御裂纹增长。这种方法不仅能延长轮胎等橡胶制品的使用寿命，还能减少橡胶颗粒在使用过程中产生的污染。
SEAS 的研究人员开发出一种多尺度方法，使颗粒增强橡胶能够承受高负荷，并在反复使用中抵御裂纹增长。上图中，左侧样品中的裂纹在增长，而右侧样品中的裂纹在经过 350,000 次循环后仍然完好无损，该样品由多尺度材料制成。资料来源：Suo Group/Harvard SEAS
这项研究发表在《自然》杂志上。
改进微粒增强橡胶
天然橡胶乳胶柔软而富有弹性。在包括轮胎、软管和阻尼器在内的一系列应用中，橡胶都是由碳黑和二氧化硅等硬质颗粒加固的。自问世以来，这些微粒大大提高了橡胶的刚度，但并没有提高材料在循环拉伸时的抗裂纹增长能力，这种测量方法被称为疲劳阈值。
事实上，自 20 世纪 50 年代首次测量以来，颗粒增强橡胶的疲劳阈值并没有多大改善。这意味着，即使轮胎经过改进，提高了耐磨性并降低了油耗，但细小的裂缝仍会将大量橡胶微粒带入环境中，对人类造成空气污染，并在溪流和河流中积聚。
橡胶工程学的新发现
在之前的研究中，SEAS 的 Allen E. and Marilyn M. Puckett 力学与材料学教授索志刚领导的研究小组通过延长聚合物链和增加缠结密度，显著提高了橡胶的疲劳阈值。那么颗粒强化橡胶又如何呢？
研究小组在高度纠缠的橡胶中加入了二氧化硅颗粒，他们认为颗粒会增加硬度，但不会影响疲劳阈值，正如文献中普遍报道的那样。他们错了。
SEAS前研究生、论文共同第一作者杰森-斯特克（Jason Steck）说："这真是个惊喜。我们没想到添加颗粒会提高疲劳阈值，但我们发现疲劳阈值提高了十倍。Steck 现在是通用电气航空航天公司的研究工程师。"
在哈佛团队的材料中，聚合物链很长而且高度纠缠在一起，而微粒则聚集在一起并与聚合物链共价结合。
"事实证明，"论文共同第一作者、前 SEAS 研究生 Junsoo Kim 说，"这种材料能在两个长度尺度上分散裂缝周围的应力：聚合物链尺度和颗粒尺度。这种组合阻止了材料中裂缝的生长"。Kim 现为美国西北大学机械工程系助理教授。
影响和未来应用
研究小组在一块材料上切割出一条裂缝，然后将其拉伸数万次，以此证明了他们的方法。在他们的实验中，裂缝从未扩大。
该研究的资深作者索说："我们的多尺度应力分散方法拓展了材料特性的空间，为减少聚合物污染和制造高性能软机器打开了大门。"
哈佛大学技术开发办公室驻校专家、论文合著者雅科夫-库佐夫斯基（Yakov Kutsovsky）说："设计新型弹性材料的传统方法忽略了利用多尺度应力分散实现高性能弹性材料广泛工业用途的这些关键见解。这项工作中开发和展示的设计原则可适用于广泛的工业领域，包括轮胎和工业橡胶制品等大批量应用，以及可穿戴设备等新兴应用。"
编译自/scitechdaily