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北達科他州立大學夏文杰教授團隊《Matter》：粘性對褶皺片材力學強度的影響

2022-05-25 來源：高分子科技

固體泡沫是一種非常有效的承重材料，但是，其復雜的制備工藝和昂貴的材料成本，使得固體泡沫在工程中的應用受到很大的限制。幾乎任何材料都可以制成薄片，然后揉成球狀的褶皺結構，而這種皺縮結構正是構成輕質結構材料的基礎。隨著薄片被揉成褶皺的球狀，它的抗壓能力也越來越強。不幸的是，目前還不清楚如何預測一個給定的皺褶到底能夠承受多大的壓縮，這表明目前的研究可能忽略了其基本的物理過程。

近期，美國北達科他州立大學(North Dakota State University)夏文杰教授團隊及其合作者在《Matter》上發表了題為“Sticky crumpled matter”的論文，該工作研究了材料的粘性（附著力）對皺縮片材整體抗壓強度的影響。該團隊基于旋涂、滴注成型的方法以及改變預聚物和交聯劑的比例，制備了具有不同粘性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄片。利用單軸壓縮實驗裝置記錄了褶皺PDMS薄片在壓縮過程中兩板的力與間距的變化（圖1A和B），并通過對力-間距曲線進行擬合分析便得到了褶皺片材的有效模量。此外，該團隊通過分子動力學模擬研究了納米尺度下片材粘性對其有效模量的影響（圖1C和D）。研究發現，當粘附力存在時，系統的壓縮強度增加，但不直接取決于粘附力的大小；在一個壓縮周期內做的功直接取決于粘附力的大小；需要一個新的長度尺度來描述粘性和非粘性皺縮物質之間的交聯關系。

圖1. 褶皺片材單軸壓縮實驗和分子動力學模擬示意圖及兩板間力與間距的關系。

圖2總結了具有不同粘附性的褶皺片材的平均有效模量。在實驗中，粘性褶皺片材的有效模量比無粘性褶皺片材的高約一個數量級。此外，分子動力學模擬結果支持了實驗得到的有效模量的變化趨勢。可以看出，材料粘性對皺縮片材有效模量的影響在宏觀和納米尺度上都是有效的。

圖2. 具有不同粘性的褶皺片材的有效模量。

為了更好地理解皺縮板的內部結構對其有效模量的影響，論文分別分析了單軸壓縮模擬前和模擬過程中具有不同粘性的皺縮片材的橫截面模式（圖3）。可以發現，粘性的皺縮模型的橫截面呈現有更多的片狀結構，橫截面更有序。這是因為二維片材在皺縮成三維球形結構的過程中，由于粘附而發生了明顯的自折疊，導致內部結構更加有序。片材的粘性會影響皺縮片材的內部結構（隨著粘性的增加，有序程度也會增加）。論文的第二作者廖楊超（博士研究生）表示，片材的尺寸和長寬比也會對褶皺片材的橫截面模式產生影響，這有待于進一步的研究討論。

圖3. 具有不同粘性的褶皺片材在單軸壓縮模擬中的橫截面圖。

圖4顯示了在單軸壓縮模擬前，無粘性和粘性的褶皺片材的應力、應變和曲率分布（局部的應力、應變和曲率被映射到一個二維平面模型上）。可以看出，高應力區域與高壓縮和拉伸應變區域以及高曲率區域緊密對應，而粘性褶皺片材的應力和應變的分布網絡略顯密集。在壓縮模擬過程中，無粘性模型的局部應力、應變和曲率，以及粘性片材的曲率似乎沒有明顯的變化。有趣的是，粘性片材的局部應力和應變（特別是壓縮應變）急劇增加，并凝聚成一個“密集”的網絡。這表明，在單軸壓縮模擬過程中，粘性褶皺片材的應變與應力有關聯，而其曲率與應力的關聯性最小。

圖4. 具有不同粘性的褶皺片材在單軸壓縮模擬中的局部馮-米塞斯應力、應變和曲率分布圖。

綜上所述，該工作通過實驗和分子動力學模擬的方法，研究了片材的粘性對其褶皺結構抗壓性能的影響。該工作有助于更好地設計基于褶皺片材的結構，并可能使得人們更好地理解發生在復雜褶皺結構中的基本物理過程。此外，分子動力學模擬表明，粘性對褶皺片材的影響在宏觀和納米尺度上一致。粘性驅動能量拉伸片材并使能量失焦，但不改變基本的褶皺結構。

該論文作者美國北達科他州立大學博士研究生廖楊超和李兆凡執行了分子動力學模擬相關的研究和分析。該工作是團隊近期關于粘性對褶皺片材抗壓性能影響的最新進展之一。在過去的一年中，團隊還分別研究了片材的尺寸（Carbon, 2021, 174, 148-157）、粘性（Langmuir, 2021, 37, 28, 8627-8637）和缺陷（Forces in Mechanics, 2022, 6, 100057）對其褶皺行為的影響。

原文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00181-3

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（責任編輯：xu）

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