纤维增强复合软材料常用来模拟软组织，以应用于软体机器人和医用替代物等。然而，此类复合软材料存在一个长期被忽视的问题：它们的抗裂纹萌生能力（起裂韧性）远低于软组织，裂纹极易在基体中萌生并扩展，破坏其结构完整性。软组织既具有较高的起裂韧性以抵抗裂纹扩展，又具有较小的损伤区以保证功能。如何在复合软材料中实现这两种特性的结合仍是挑战。

  西安交通大学唐敬达教授与哈佛大学锁志刚教授团队合作，提出了一种复合软材料设计方法：将针织物与高缠结基体结合，并强化界面，构建可拉伸复合软材料，表征了裂纹阻力曲线，将起裂韧性大幅提升至46.9 kJ/m²，超过了牛心包软组织，解决了复合软材料低起裂韧性的难题。

  相关成果以Stretchable materials show high crack-initiation resistance that exceeds soft tissues为题，发表在国际期刊《Materials Today》上。论文第一作者为西安交大博士生陈曦，通讯作者为西安交大唐敬达教授和哈佛大学锁志刚教授，论文作者还包括西安交大博士生刘丰恺，硕士生陆一迪。

  常规制备的可拉伸复合软材料在小载荷作用下，极易在基体中萌生裂纹，而兼具高缠结基体和强界面的复合软材料中几乎无裂纹萌生，展现出高起裂韧性（图1A-1C）。悬挂相同重量的杠铃时，常规复合软材料内部出现水平裂纹扩展，而高缠结复合软材料仅发生垂直方向的弹性变形，无裂纹扩展（图1D-1E）。

图1. 可拉伸复合软材料的抗裂纹萌生能力

  高缠结复合软材料的制备工艺如图2A-2E所示:首先将超高分子量聚乙烯的纱线编织成网后，经二苯甲酮溶液处理，在紫外光照射下使聚合物基体接枝生长在纤维表面。光谱和表面形貌分析证实了基体与纤维间共价键界面的形成（图2F-2G）。低交联密度的基体内部形成了长聚合物链的缠结网络，本研究中称之为高缠结基体（图2H），具备良好的可拉伸性（图2I）。

图2. 高缠结复合软材料的合成方法

  研究人员使用数字图像相关（DIC）技术测绘了复合软材料的裂纹阻力曲线（图3A-3C）。如图3D-3G所示，高缠结复合软材料的起裂韧性和稳态韧性均高于常规复合软材料，其稳态损伤区尺寸也缩小至与牛心包软组织相当的水平。裂纹在复合软材料中的扩展机制涉及基体破坏、纤维拔出和最终的纤维断裂（图3H-3J）。

图3. 可拉伸复合软材料的裂纹阻力曲线

  复合软材料的设计需要不同机制的协同作用。首先改变基体的交联比，实验与有限元模拟共同验证了低交联比的强韧基体能有效防止基体破坏（图4A-4E）。另外，研究人员发现无界面交联的复合软材料，起裂韧性明显降低（图4F-4G）。将制备条件不同的复合软材料的断裂性能绘制成热力图，可以发现只有高缠结的强韧基体与强界面共同存在时，才能最大化地提升材料的起裂韧性并减小损伤区尺寸（图 4H-4I）。

图4. 基体韧性和界面强度对裂纹阻力曲线的影响

  研究人员还展示了该高缠结复合软材料在多个领域的潜在应用。如图5A-5C 所示，在鼓泡测试中，高缠结复合软材料在承受高压充气时无裂纹扩展，而常规复合软材料发生明显裂纹扩展。作为人工韧带经历弯折时，高缠结复合软材料中的裂纹几乎不扩展（图5D-5E）。作为柔性电子基底材料承受拉伸时，高缠结复合软材料能确保液态金属电路保持完整（图5F-5H）。

图5.可拉伸复合软材料的潜在应用

  文章进一步绘制了起裂韧性-稳态韧性、起裂韧性-损伤区尺寸的Ashby图，清晰地对比出高缠结复合软材料优越的力学性能。如图6A所示，高缠结复合软材料表现出较高的起裂韧性和稳态韧性，起裂韧性甚至超过生物软组织。在起裂韧性-损伤区尺寸的Ashby图中，高缠结复合软材料具有高起裂韧性和小损伤区，与生物软组织相当（图6B）。最后，总结了几种代表性材料的微观结构与裂纹扩展机制（图6C）。

图6. 代表性材料的裂纹扩展机制

  综上所述，该项工作针对复合软材料低起裂韧性的难题，提出了高缠结复合软材料的设计方法，实现了超越软组织的高起裂韧性，对于仿生软材料的发展具有借鉴意义。

  论文链接 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702126000453?via%3Dihub