Революционная резина, устойчивая к растрескиванию при многократном растяжении.

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) смогли повысить порог усталости армированной частицами резины, разработав новый многомасштабный подход, который позволяет материалу выдерживать высокие нагрузки и противостоять росту трещин. при многократном использовании. Такой подход не только увеличивает срок службы резиновых изделий, таких как шины, но также может уменьшить количество загрязнений, вызываемых падающими частицами резины во время использования.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Натуральный каучуковый латекс мягкий и эластичный. Для широкого спектра применений, включая шины, шланги и амортизаторы, резина армируется твердыми частицами, такими как углеродная сажа и диоксид кремния. С момента своего появления эти частицы значительно улучшили ударную вязкость резины, но не ее устойчивость к росту трещин при периодическом растяжении материала (измерение, известное как порог усталости).

Фактически, порог усталости резины, армированной частицами, не сильно улучшился с тех пор, как он был впервые измерен в 1950-х годах. Это означает, что даже при усовершенствовании шин, которое повышает износостойкость и снижает расход топлива, небольшие трещины могут привести к тому, что большое количество частиц резины выбрасывается в окружающую среду, вызывая загрязнение воздуха для человека и накапливаясь в ручьях и реках.

В предыдущем исследовании группа под руководством Чжигана Суо, профессора механики и материалов SEAS Аллена Э. и Мэрилин М. Пакетт, значительно увеличила порог усталости резины за счет удлинения полимерных цепей и конденсации переплетений. А как насчет резины, армированной частицами?

Команда добавила частицы диоксида кремния в свою резину с высокой степенью поперечной сшивки, полагая, что эти частицы повысят жесткость, но не повлияют на порог усталости, как это принято считать в литературе. Они были не правы.

«Это был большой сюрприз», — сказал Джейсон Стек, бывший аспирант Школы прикладных и политических наук (SEAS) и соавтор статьи. «Мы не ожидали, что добавление частиц увеличит порог усталости, но мы обнаружили, что он увеличился в десять раз».

Сейчас Стек работает инженером-исследователем в GE Aerospace.

В материале команды Гарварда полимерные цепи длинные и сильно переплетены, а молекулы группируются и ковалентно связаны с полимерными цепями.

«Оказывается, этот материал деконцентрирует напряжение вокруг трещины на двух масштабах длины: масштабе полимерных цепей и масштабе молекул», — сказал Джунсу Ким, бывший аспирант SEAS и один из первых авторов исследования. бумага. . Эта смесь останавливает рост трещин в материале».

Ким сейчас является доцентом кафедры машиностроения в Северо-Западном университете.

Команда продемонстрировала свой подход, вырезав трещину в куске материала, а затем растянув его в десятки тысяч раз. В их экспериментах трещина так и не выросла.

«Наш подход многомасштабной деконцентрации напряжений расширяет пространство свойств материала, открывая возможности для уменьшения загрязнения полимеров и создания высокопроизводительных мягких машин», — сказал Су, ведущий автор исследования.

«Традиционные подходы к разработке новых гибких материалов упускают из виду эти важные идеи использования многомасштабной деконцентрации напряжений для создания высокоэффективных гибких материалов для широкого промышленного применения», — сказал Яков Коцовский, постоянный эксперт Гарвардского офиса технологических разработок и соавтор. исследования. бумага. «Принципы проектирования, разработанные и продемонстрированные в этой работе, могут быть применимы в широком спектре отраслей, включая крупномасштабные приложения, такие как производство шин и резиновых изделий, а также новые области применения, такие как носимые устройства».

Куцовски ранее в течение 15 лет занимал должность научного директора и главного технического директора в Cabot.

Управление технологического развития Гарвардского университета защитило интеллектуальную собственность, связанную с этим проектом, и изучает возможности коммерциализации.

Исследование было частично поддержано грантом MRSEC DMR-2011754 и Управлением научных исследований ВВС в рамках гранта FA9550-20-1-0397.