科研進(jìn)展
蘭州化物所機(jī)械訓(xùn)練設(shè)計超強(qiáng)共晶凝膠獲重要進(jìn)展
隨著機(jī)械設(shè)備向精密化、大型化、自動化、集成化和智能化等方向的快速發(fā)展，對極端工況下高強(qiáng)度應(yīng)變壓力傳感材料的需求日益增加。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦物理與傳感團(tuán)隊提出了“超滯后介導(dǎo)機(jī)械訓(xùn)練策略”，集成分子和結(jié)構(gòu)的正交協(xié)同耦合作用，構(gòu)建了超強(qiáng)韌的共晶凝膠并設(shè)計了離子壓電機(jī)械傳感器，實(shí)現(xiàn)離子流驅(qū)動的力電傳導(dǎo)，為軟材料的極端力學(xué)性能及力?電耦合設(shè)計提供了新范式。
超強(qiáng)凝膠通常模量和強(qiáng)度較高，但力學(xué)韌性一直是挑戰(zhàn)。該研究通過將低共熔溶劑（DES）引入半結(jié)晶性PVA水凝膠中進(jìn)行機(jī)械訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)度與優(yōu)異韌性的兼容（圖1）。在溶劑置換過程中，通過氫鍵重構(gòu)促進(jìn)PVA結(jié)晶增強(qiáng)，形成密集的納米晶域并賦予超滯后效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單次預(yù)伸展的“超滯后介導(dǎo)的機(jī)械訓(xùn)練”。同時，得益于超滯后的結(jié)構(gòu)阻滯效應(yīng)，機(jī)械訓(xùn)練后的單網(wǎng)絡(luò)凝膠還可進(jìn)一步浸泡前驅(qū)液，并通過自由基聚合構(gòu)建化學(xué)交聯(lián)的第二網(wǎng)絡(luò)形成層級互穿。此層級互穿的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予凝膠材料微觀協(xié)同介觀的多尺度能量耗散特性，極大地提升了力學(xué)性能，其斷裂強(qiáng)度達(dá)~ 85.2 MPa、楊氏模量為~ 98 MPa、斷裂韌性提升至~ 130.6 MJ·m?3，遠(yuǎn)優(yōu)于目前報道的強(qiáng)韌聚合物凝膠體系（圖2）。
圖1.超滯后介導(dǎo)機(jī)械訓(xùn)練的設(shè)計理念和策略優(yōu)勢。
圖2.超滯后介導(dǎo)機(jī)械訓(xùn)練的力學(xué)強(qiáng)化成果展示。
界面之間的運(yùn)動、行為會耗散大量的機(jī)械能，比如界面摩擦，潤滑是減小能源消耗的有效途徑。然而，對于一些極端工況，界面的機(jī)械耗散是不可避免的，為此，針對極端環(huán)境下的高承載或高抗沖擊工程軟材料需求，超滯后介導(dǎo)的機(jī)械訓(xùn)練構(gòu)建的超強(qiáng)共晶凝膠可通過力電轉(zhuǎn)導(dǎo)的方式收集機(jī)械能，并將轉(zhuǎn)化的電能作為傳感信號反映壓力應(yīng)變（圖3），該研究展示了共晶凝膠在高溫環(huán)境中的力學(xué)穩(wěn)定性及作為離子壓電機(jī)械感受器在壓力驅(qū)動力電轉(zhuǎn)導(dǎo)的響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)韌力學(xué)與電學(xué)性能之間的力?電耦合的協(xié)同設(shè)計，為性能和功能的適配耦合提供了全新的設(shè)計范式和構(gòu)建策略。
圖3.超強(qiáng)共晶凝膠作為離子壓電機(jī)械感受器的應(yīng)用演示。
該研究工作以“Ultrastrong eutectogels engineered via integrated mechanical training in molecular and structural engineering”為題發(fā)表在Nature Communications上。蘭州化物所博士生許成功為該論文第一作者，蘭州化物所馮雁歌副研究員、王道愛研究員和劉維民院士為共同通訊作者。
以上研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金、甘肅省重大科技專項等項目的支持。
