[论文解读] Fracture and fatigue of entangled and unentangled polymer networks

Dongchang Zheng, Shaoting Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2021

Cellular Mechanics and Interactions被引用 6

一句话总结

本研究通过聚丙烯酰胺水凝胶这一模型体系，探究了链缠结对聚合物网络断裂和疲劳行为的影响。研究发现，由于一种新型的裂纹附近耗散机制，缠结网络的断裂韧性最高可达其疲劳阈值的16倍，而未缠结网络尽管存在结构缺陷，其断裂韧性与疲劳阈值仍相近。

ABSTRACT

Entanglement of polymer chains is ubiquitous in elastomers, gels, and biological tissues. While the effects of chain entanglement on elasticity and viscoelasticity of polymer networks have been intensively studied, it remains elusive how chain entanglement affects fracture and fatigue of polymer networks. In this paper, using polyacrylamide hydrogels as a model material, we systematically compare fracture toughness and fatigue threshold of polymer networks with various levels of chain entanglement. We find that the fracture toughness and fatigue threshold of an unentangled polymer network are almost the same, although the unentangled polymer network still contains non-ideal features including topological defects (i.e., dangling chains and cyclic loops) and structural heterogeneity (i.e., non-uniform chain lengths and non-uniform functionalities). In contrast, the fracture toughness of an entangled polymer network can be over ten times (up to 16 times) higher than its fatigue threshold, indicating substantial toughness enhancement due to chain entanglement. Different from the conventional toughness enhancement due to bulk dissipation of polymer networks, the toughness enhancement by chain entanglement requires low stress-stretch hysteresis (<10%) of the bulk entangled polymer networks. We attribute the toughness enhancement in entangled polymer networks to a new dissipation mechanism, near-crack dissipation, which is possibly induced by pull-out of chains and delocalized damage of chains around the crack tip.

研究动机与目标

• 理解链缠结在聚合物网络断裂与疲劳行为中的作用。
• 比较缠结与未缠结聚合物网络的断裂韧性与疲劳阈值。
• 识别导致缠结网络韧性增强的内在耗散机制。
• 确定缠结体系中韧性提升是由体积分额耗散还是局部机制驱动。

提出的方法

• 通过调节交联密度，合成具有可控链缠结度的聚丙烯酰胺水凝胶。
• 进行单轴拉伸测试，测量在循环载荷下的断裂韧性和疲劳阈值。
• 量化应力-拉伸滞后以评估缠结网络中的体积分额耗散。
• 利用显微镜观察与力学建模分析裂纹尖端区域，推断裂纹附近的耗散机制。
• 将结构特征（如悬空链、环状缺陷）与未缠结网络的力学性能相关联。
• 采用受控的网络结构，将缠结效应与其他非理想特征的影响分离开来。

实验结果

研究问题

• RQ1 链缠结如何影响聚合物网络的断裂韧性与疲劳阈值？
• RQ2 为何缠结网络表现出断裂韧性与疲劳阈值的巨大差异，而未缠结网络则无此差异？
• RQ3 缠结网络中韧性增强是由于体积分额耗散还是裂纹尖端附近的局部机制？
• RQ4 低应力-拉伸滞后（<10%）在通过链缠结实现韧性增强中起何作用？
• RQ5 未缠结网络中的拓扑缺陷与结构非均质性如何影响其断裂与疲劳行为？

主要发现

• 未缠结聚合物网络的断裂韧性几乎与其疲劳阈值相同，表明无显著韧性增强。
• 相比之下，缠结聚合物网络的断裂韧性最高可达其疲劳阈值的16倍，表现出显著的韧性增强。
• 该增强并非源于体积分额耗散，而是由于一种新机制——裂纹附近耗散，可能由链的拔出及裂纹尖端周围链的非局域损伤引起。
• 裂纹附近耗散机制仅在应力-拉伸滞后较低（<10%）的网络中有效，表明存在能量耗散效率的关键阈值。
• 即使存在拓扑缺陷与结构非均质性，未缠结网络仍保持断裂与疲劳性能的平衡。
• 结果表明，链缠结可实现一种与传统体积分额耗散不同的、局域化且仅作用于裂纹尖端的能量耗散路径。