Fracture Toughness and Fatigue Threshold of Tough Hydrogels

自愈水凝胶 材料科学 断裂韧性 聚丙烯酰胺 韧性 离子键合 复合材料 消散 聚合物 断裂力学 高分子化学 化学 离子 有机化学 热力学 物理
作者
Wenlei Zhang,Jian Hu,Jingda Tang,Zhongtong Wang,Jikun Wang,Tongqing Lu,Zhigang Suo
出处
期刊:ACS Macro Letters [American Chemical Society]
卷期号:8 (1): 17-23 被引量:144
标识
DOI:10.1021/acsmacrolett.8b00788
摘要

Hydrogels of numerous chemical compositions have achieved high fracture toughness on the basis of one physical principle. As a crack advances in such a hydrogel, a polymer network of strong bonds ruptures at the front of the crack and elicits energy dissipation in the bulk of the hydrogel. The constituent that dissipates energy in the bulk of the hydrogel is called a toughener. A hypothesis has emerged recently that tougheners increase fracture toughness greatly but contribute little to fatigue threshold. Here we ascertain this hypothesis by studying hydrogels of two kinds, identical in all aspects except for tougheners. A Ca-alginate/polyacrylamide hydrogel has ionic bonds, which act as tougheners, resulting in a toughness of 3375 J/m2 and a threshold of 35 J/m2. A Na-alginate/polyacrylamide hydrogel has no ionic bonds, resulting in a toughness of 169 J/m2 and a threshold of 17 J/m2. These results motivate a discussion on the development of fatigue-resistant hydrogels.
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