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​MIT赵选贺团队展现了抗疲劳水凝胶的设想道理及运用

时间:2019-06-08来源:申博太阳城浏览次数:

水凝胶是人造软骨、枢纽和椎间盘的抱负替换材料。这些运用请求水凝胶具有轮回加载下的抗委靡机能。虽然人们开辟了多种高韧水凝胶,但这些水凝胶在屡次轮回加载下会发作委靡断裂,它们的委靡阈值一般只要1-100J/m2。近日,MIT赵选贺团队展现了抗委靡水凝胶的设想道理:让委靡裂纹在扩展中碰到而且断裂比一层高份子链强韧许多的物体,比方纳米晶域等。团队经由过程引入可控的纳米晶域,可以或许进步水凝胶的委靡阈值到1000 J/m2以上。抗委靡设想道理可以或许用来指点开辟具有临时使用价值的水凝胶装备和东西。

水凝胶材料图

水凝胶正被普遍运用于医疗东西和生物电子装备等范畴,包罗可穿着水凝胶电子1,2,口服水凝胶装备3,可拉伸水凝胶光纤4,水凝胶涂层5,以及水凝胶软体机械人等6。水凝胶在东西和装备范畴的运用请求水凝胶具有轮回加载下的抗委靡特征。


近十几年,人们开辟了种种高韧水凝胶,个中最著名的例子是双收集水凝胶7,8。增韧水凝胶的道理是在可拉伸的高份子收集中引入机械耗散,障碍裂纹扩展。然则这些增韧水凝胶在屡次轮回加载下的抗委靡特征一般很差,它们的委靡阈值只要1-100 J/m2 10。由于委靡裂纹的扩展只需断裂一层高份子链,并不受分外引入的机械耗散影响。怎样设想具有抗委靡断裂的水凝胶还是软材料范畴的一大困难。



图1:抗委靡水凝胶设想道理:让委靡裂纹在扩展中碰到并断裂比一层高份子链强韧许多的物体。


人体的韧带肌肉也许每一年蒙受几百万次兆帕级的应力,而且连结委靡阈值在1000 J/m2以上。韧带肌肉中胶原卵白的有序晶区多是它们抗委靡的缘由。受生物构造启示,本日宣布在《Science Advances》上的文章中(Science Advances,5:eaau8528(2019)),MIT赵选贺团队提出了抗委靡水凝胶的设想道理:让委靡裂纹在扩展中碰到而且损坏比一层高份子链强韧许多的物资,比方纳米晶域等(图1)。


为了考证抗委靡水凝胶的设想道理,赵选贺团队选用了罕见的医用聚合物聚乙烯醇(PVA),经由过程冷冻冻结和高温退火,完成可控的纳米晶域。他们起首经由过程差示扫描量热法(DSC),定量丈量了PVA水凝胶在完整枯燥和充足溶胀状态下的结晶度(图2)。PVA水凝胶的结晶度跟着退火时刻的增添而增添,但响应的水含量随之减小,那是由于扩展的晶域会赓续消耗水凝胶中具有吸水才能的无定形份子链的含量。他们进一步经由过程X射线散射定量丈量了PVA水凝胶在分歧退火时刻下的纳米晶域巨细和间距。由图2所示,跟着高温退火时刻的增添,PVA水凝胶纳米晶域尺寸在增添,而相邻晶域的间距在减少。这类纳米晶域跟着退火时刻的演变进一步经由过程原子力显微镜(AFM)得到了考证。



图2:PVA水凝胶的纳米晶域描写表征


为了定量表征水凝胶抗委靡才能,团队成员设想了测试水凝胶委靡阈值的试验要领。与传统材料的委靡测试分歧,他们在水浴情况举行上万次水凝胶的委靡加载测试,以制止水凝胶的失水引发的材料失效和裂纹扩展(图3)。经由过程定量丈量委靡裂纹的扩展曲线,他们发明具有一样PVA含量的化学交联的水凝胶只要10 J/m2的委靡阈值,这和损坏一层无定形份子链所须要的能量符合。当PVA水凝胶含有较低的结晶度,测得委靡阈值仅仅进步到23 J/m2,申明这时刻的委靡裂纹的流传依旧只是依赖于断裂一层无定形份子链。当水凝胶溶胀状态下的结晶度到达18.9 wt。%时刻,他们发明PVA水凝胶的委靡阈值可以或许到达1000 J/m2。他们进一步经由过程单边缺口拉伸和纯剪拉伸进一步考证了这类材料的超高委靡阈值(图4)。



覆铜板填料的应用特点、发展趋势及研究进展

基于填料在覆铜板中的组成情况、功能、使用范围和用量,可以认为填料目前已逐步成为覆铜板的除树脂、铜箔、玻纤布以外的第四大主材料。下面一起来了解下覆铜板填料的应用特点、发展趋势及研究进展。 覆铜板填料的应用特点 目前覆铜板填料使用主要呈现以下特点: (1)已使用填料的覆铜板种类覆盖面广 包括普通FR-4、中Tg、高Tg、无卤、高频、高速、IC载板、散热基板、白色覆铜板等。 在普通的FR-4中使用填料,可改善尺寸稳定性和耐热性,降低成本; 在中高Tg的产品中使用填料,可降低CTE,提高耐热性; 在无卤覆铜板中使用填料,主要是弥补了树脂阻燃性不足的问题,改善尺寸稳定性; 在高频高速覆铜板中使用低Dk的填料,可改善高频信号传输能力,改善大容量数据传输能; 在IC载板中使用填料,可改善覆铜板的CTE和刚性; 在散热基板中使用高导热的填料,可改善基板散热能力,使覆铜板可以更好地胜任大电流、高发热的PCB应用; 在白色覆铜板中使用氧化铝,可导热,改善阻燃性和增白;使用TiO2可以提高白色度,有利于提高光反色率。 (2)填料种类多 包括硅微粉(结晶硅微粉、熔融硅微粉、复合硅微粉、球形硅微粉等)、氢氧化

图3:水凝胶委靡测试试验要领



图4:水凝胶委靡阈值的丈量和考证


更进一步,赵选贺团队提出了一种既能进步PVA水凝胶委靡阈值,又不捐躯材料柔性和含水量的要领:借助CAD辅助设想电热丝,完成程序化部分加热,挑选性地引入有序晶区(图5)。他们演示了两个例子:第一个例子是在裂纹尖端举行部分加热,引入环状晶域;第二个例子是对全部样品引入网格状晶域。如许引入的晶域面积很小,但可以或许有效地强化裂纹尖端,进而障碍裂纹扩展;与此同时可以或许连结全部样品的低模量(114 kPa)和高水含量(87 wt%)。



图5:抗委靡水凝胶的设想道理


他们进一步经由过程这类要领设想了具有抗委靡特征的剪纸水凝胶。把材料设想成剪纸,一方面可以或许进一步进步材料的延展性,另一方面可以或许进步该材料与其他界面的粘接性。但由于引入过量地缺口,把材料设想成剪纸会急剧下降材料的力学机能。他们经由过程对瘦语尖端部分加热,引入部分晶域,设想了具有优越抗委靡特征的剪纸水凝胶。强化后的剪纸水凝胶强度可以或许进步14.4倍,而且可以或许蒙受3000次大变形轮回加载。


抗委靡水凝胶的运用


赵选贺团队提出的抗委靡水凝胶设想道理简朴、普适、高效,可以或许运用在分歧品种的水凝胶中,比方在水凝胶中引入纤维素、纳米黏土颗粒和纳米纤维等。人体器官(比方大脑、脊髓、心脏、肌肉、皮肤等)大多是由水凝胶构成的。临时和人体交互的水凝胶机械和界面,是软材料范畴研讨的前沿和重点题目之一。除柔嫩、高含水量、有生物活性外,如今水凝胶还可以或许被设想得坚固和抗委靡。我们期待在不久的未来,人体和种种机械1,3,6可以或许完成临时、稳固、高效的交互和融会(图6)。



图6:抗委靡水凝胶的运用


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