Gummi, der ikke vokser revner, når det strækkes mange gange

Forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har øget træthedstærsklen for partikelforstærket gummi og udviklet en ny, multiskala tilgang, der tillader materialet at bære høje belastninger og modstå revnevækst ved gentagen brug. Denne tilgang kunne ikke kun øge levetiden for gummiprodukter såsom dæk, men også reducere mængden af ​​forurening fra gummipartikler, der udskilles under brug.

Forskningen er publiceret i Nature .

Naturligt forekommende gummilatex er blød og elastisk. Til en række anvendelser, herunder dæk, slanger og dæmpere, er gummier forstærket af stive partikler, såsom kønrøg og silica. Siden deres introduktion har disse partikler i høj grad forbedret stivheden af ​​gummier, men ikke deres modstand mod revnevækst, når materialet strækkes cyklisk, en måling kendt som træthedsgrænsen.

Faktisk er træthedsgrænsen for partikelforstærkede gummier ikke blevet meget bedre, siden den første gang blev målt i 1950'erne. Det betyder, at selv med de forbedringer af dæk, der øger slidstyrken og reducerer brændstofforbruget, kan små revner kaste store mængder gummipartikler ud i miljøet, som forårsager luftforurening for mennesker og ophobes i vandløb og floder.

I tidligere forskning har et hold ledet af Zhigang Suo, Allen E. og Marilyn M. Puckett professor i mekanik og materialer ved SEAS, markant øget træthedsgrænsen for gummier ved at forlænge polymerkæder og fortætte sammenfiltringer. Men hvad med partikelforstærkede gummier?

Holdet tilføjede silicapartikler til deres stærkt sammenfiltrede gummi, idet de troede, at partiklerne ville øge stivheden, men ikke påvirke træthedstærsklen, som almindeligvis rapporteret i litteraturen. De tog fejl.

"Det var noget af en overraskelse," sagde Jason Steck, en tidligere kandidatstuderende ved SEAS og med-førsteforfatter af papiret. "Vi forventede ikke, at tilsætning af partikler ville øge træthedsgrænsen, men vi opdagede, at den steg med en faktor 10."

Steck er nu forskningsingeniør hos GE Aerospace.

I Harvard-teamets materiale er polymerkæderne lange og stærkt sammenfiltrede, mens partiklerne er samlet og kovalent bundet til polymerkæderne.

"Som det viser sig," sagde Junsoo Kim, en tidligere kandidatstuderende ved SEAS og med-førsteforfatter af papiret, "dekoncentrerer dette materiale stress omkring en revne over to længdeskalaer:skalaen af ​​polymerkæder og skalaen af ​​partikler . Denne kombination stopper væksten af ​​en revne i materialet."

Kim er nu assisterende professor i maskinteknik ved Northwestern University.

Holdet demonstrerede deres tilgang ved at skære en revne i et stykke af deres materiale og derefter strække det titusindvis af gange. I deres eksperimenter voksede revnen aldrig.

"Vores tilgang til multiskala spændingsdekoncentration udvider rummet af materialeegenskaber, åbner døre til at begrænse polymerforurening og bygger højtydende bløde maskiner," sagde Suo, seniorforfatter af undersøgelsen.

"Traditionelle tilgange til at designe nye elastomere materialer savnede disse kritiske indsigter i at bruge multiskala spændingsdekoncentration til at opnå højtydende elastomere materialer til brede industrielle anvendelser," sagde Yakov Kutsovsky, en ekspert i ophold ved Harvard Office of Technology Development og medforfatter til papiret.

"Designprincipper, der er udviklet og demonstreret i dette arbejde, kan være anvendelige på tværs af en bred vifte af industrier, herunder store applikationer såsom dæk og industrielle gummivarer, såvel som nye applikationer såsom bærbare enheder."

Kutsovsky har tidligere tjent som Chief Scientific Officer og Chief Technology Officer hos Cabot Corporation i 15 år.

Harvard's Office of Technology Development har beskyttet den intellektuelle ejendom, der er forbundet med dette projekt og undersøger kommercialiseringsmuligheder.

Flere oplysninger: Jason Steck et al., Multiscale stress dekoncentration forstærker træthedsmodstanden af ​​gummi, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06782-2

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences