哈佛工程师发现将橡胶电阻提高 10 倍的方法

使用多尺度方法可提高颗粒增强橡胶的疲劳阈值。

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，开发了一种新的多尺度方法，使材料能够承受高载荷并抵抗重复使用的裂纹扩展。这种方法不仅可以延长轮胎等橡胶制品的使用寿命，还可以减少橡胶颗粒在使用过程中脱落的污染量。

该研究发表在《自然》杂志上。

改进颗粒增强橡胶

天然橡胶乳胶柔软有弹性。对于包括轮胎、软管和阻尼器在内的一系列应用，橡胶由硬质颗粒（如炭黑和二氧化硅）增强。自引入以来，这些颗粒大大提高了橡胶的刚度，但当材料被周期性拉伸时，它们对裂纹扩展的抵抗力却没有提高，这种测量称为疲劳阈值。

事实上，自 1950 年代首次测量以来，颗粒增强橡胶的疲劳阈值并没有太大改善。这意味着，即使对轮胎进行了改进，提高了耐磨性并降低了油耗，但小裂缝也会将大量橡胶颗粒脱落到环境中，从而对人类造成空气污染并积聚在溪流和河流中。

橡胶工程的新发现

在之前的研究中，由SEAS的Allen E.和Marilyn M. Puckett力学与材料教授Zhigang Suo领导的团队通过延长聚合物链和致密缠结来显着提高橡胶的疲劳阈值。但是颗粒增强橡胶呢？

该团队将二氧化硅颗粒添加到高度缠结的橡胶中，认为这些颗粒会增加刚度，但不会影响疲劳阈值，正如文献中经常报道的那样。他们错了。

“这真是一个惊喜，”SEAS的前研究生、该论文的共同第一作者Jason Steck说。“我们没想到添加颗粒会增加疲劳阈值，但我们发现它增加了十倍。Steck 现在是 GE Aerospace 的一名研究工程师。

在哈佛团队的材料中，聚合物链很长且高度纠缠，而颗粒则聚集在一起并与聚合物链共价键合。

“事实证明，”SEAS的前研究生、该论文的共同第一作者Junsoo Kim说，“这种材料将裂纹周围的应力分散在两个长度尺度上：聚合物链的尺度和颗粒尺度。这种组合可以阻止材料中裂缝的生长。

Kim现在是西北大学机械工程助理教授。

启示与未来应用

该团队通过在一块材料上切出一条裂缝，然后将其拉伸数万次来演示他们的方法。在他们的实验中，裂缝从未扩大。

“我们的多尺度应力分散方法扩大了材料特性的空间，为减少聚合物污染和建造高性能软机器打开了大门，“该研究的资深作者Suo说。

“设计新型弹性体材料的传统方法错过了使用多尺度应力分散来实现用于广泛工业用途的高性能弹性体材料的关键见解，”哈佛大学技术开发办公室驻地专家、该论文的合著者Yakov Kutsovsky说。“这项工作中开发和展示的设计原则可以适用于广泛的行业，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。