马萨诸塞州剑桥 – 哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员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裂纹扩展过度重复使用。这种方法不仅可以延长轮胎等橡胶产品的使用寿命，还可以减少使用过程中橡胶颗粒脱落造成的污染。该研究发表在《自然》杂志上。

天然橡胶乳胶柔软且有弹性。对于轮胎、软管和减震器等一系列应用，橡胶通过炭黑和二氧化硅等刚性颗粒进行增强。自引入以来，这些颗粒极大地提高了橡胶的刚度，但并没有提高材料循环拉伸时的抗裂纹扩展能力，这一测量称为疲劳阈值。

事实上，颗粒增强橡胶的疲劳阈值自 20 世纪 50 年代首次测量以来并没有多大改善。这意味着，即使对轮胎进行了改进，提高了耐磨性并降低了燃料消耗，小裂纹也会将大量橡胶颗粒释放到环境中，从而对人类造成空气污染，并积聚到溪流和河流中。

在之前的研究中，SEAS 的 Allen E. 和 Marilyn M. Puckett 力学与材料学教授 Zhugang Suo 领导的团队通过延长聚合物链和致密化缠结，显着提高了橡胶的疲劳阈值。但是颗粒增强橡胶怎么样?

研究小组在高度缠结的橡胶中添加了二氧化硅颗粒，认为这些颗粒会增加刚度，但不会影响疲劳阈值，正如文献中普遍报道的那样。他们错了。

“这真是令人惊讶，”SEAS 前研究生、该论文的共同第一作者杰森·斯特克 (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 航空航天公司的研究工程师。

在哈佛团队的材料中，聚合物链很长且高度缠结，而颗粒则聚集并与聚合物链共价键合。

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

Kim 现在是西北大学机械工程系助理教授。

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展示他们的方法。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扩大了材料性能的空间，为减少聚合物污染和构建高性能软机器打开了大门。”

哈佛技术开发办公室常驻专家、该论文的合著者雅科夫·库佐夫斯基 (Yakov Kutsovsky) 表示：“设计新型弹性体材料的传统方法忽略了利用多尺度应力分散来实现广泛工业用途的高性能弹性体材料的关键见解。”纸。 “这项工作中开发和演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。”

Kutsovsky 此前曾在卡博特公司担任首席科学官和首席技术官 15 年。

哈佛大学技术开发办公室保护了与该项目相关的知识产权，并正在探索商业化机会。

该研究部分得到了 MRSEC 拨款 DMR-2011754 和空军科学研究办公室拨款 FA9550-20-1-0397 的支持。