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Stretchable materials of high toughness and low hysteresis

材料科学 磁滞 韧性 复合材料 凝聚态物理 物理
作者
Zhengjin Wang,Chunping Xiang,Xi Yao,Paul Le Floch,Julien Mendez,Zhigang Suo
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:116 (13): 5967-5972 被引量:330
标识
DOI:10.1073/pnas.1821420116
摘要

In materials of all types, hysteresis and toughness are usually correlated. For example, a highly stretchable elastomer or hydrogel of a single polymer network has low hysteresis and low toughness. The single network is commonly toughened by introducing sacrificial bonds, but breaking and possibly reforming the sacrificial bonds causes pronounced hysteresis. In this paper, we describe a principle of stretchable materials that disrupt the toughness-hysteresis correlation, achieving both high toughness and low hysteresis. We demonstrate the principle by fabricating a composite of two constituents: a matrix of low elastic modulus, and fibers of high elastic modulus, with strong adhesion between the matrix and the fibers, but with no sacrificial bonds. Both constituents have low hysteresis (5%) and low toughness (300 J/m2), whereas the composite retains the low hysteresis but achieves high toughness (10,000 J/m2). Both constituents are prone to fatigue fracture, whereas the composite is highly fatigue resistant. We conduct experiment and computation to ascertain that the large modulus contrast alleviates stress concentration at the crack front, and that strong adhesion binds the fibers and the matrix and suppresses sliding between them. Stretchable materials of high toughness and low hysteresis provide opportunities to the creation of high-cycle and low-dissipation soft robots and soft human-machine interfaces.
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