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  水凝膠的粘接性能強(qiáng)弱有著重要意義；近年來(lái)水凝膠強(qiáng)粘接的實(shí)現(xiàn)顯著拓展了其應(yīng)用范圍。人們常用90度剝離測(cè)試用于表征水凝膠粘接性能的強(qiáng)弱。剝離過(guò)程中剝離力通常會(huì)先增加到一個(gè)峰值后再進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定剝離狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)剝離力決定了水凝膠的粘接韌性，而比粘接韌性更高的最大剝離力決定了其抗脫粘性能。但是，這一特性在以前往往被忽略掉了。

  鑒于此，南方科技大學(xué)楊燦輝課題組報(bào)道了一種在粘接層上方施加剛性背板從而誘發(fā)大規(guī)模橋連機(jī)制的方法，使得粘接層在發(fā)生災(zāi)難性的破壞之前大部分的材料都會(huì)發(fā)生變形并耗散能量，從而顯著提高水凝膠的抗脫粘性能（圖1）。相關(guān)工作于近期以“Enhance the debonding resistance of hydrogel by large-scale bridging”為題發(fā)表在固體力學(xué)頂級(jí)期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。

圖1 大尺度橋聯(lián)提高水凝膠抗脫粘性能的機(jī)理

  為了驗(yàn)證這一機(jī)理，研究人員分別在PAAm水凝膠上施加彎曲剛度在10^-8 Nm²的PET背板和彎曲剛度在10-2 Nm²的PMMA背板，然后從玻璃基底上剝離。水凝膠的抗脫粘性能從185 N/m提升到了856 N/m。另外發(fā)現(xiàn)抗脫粘性能的增加受到水凝膠厚度和背板彎曲剛度的影響。

圖2 力學(xué)性能表征

  考慮到實(shí)際應(yīng)用中往往并不具備硬背板條件。研究人員采用響應(yīng)性的水凝膠作為粘接層的背板。在通常情況下，背板是軟的，不影響水凝膠粘接層整體的性能。但是，當(dāng)受到脫粘威脅時(shí)，在適當(dāng)?shù)拇碳は拢憫?yīng)性背板可以硬化，激發(fā)大規(guī)模橋連機(jī)制，從而抑制脫粘。研究人員結(jié)合水凝膠網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼m纏特性，將上層的溫度響應(yīng)水凝膠PAAc/CaAc和負(fù)責(zé)與基底接觸耗散能量的底層水凝膠（包括單網(wǎng)絡(luò)凝膠PAAm和雙網(wǎng)絡(luò)凝膠Ca-alginate/PAAm）結(jié)合在了一起。利用PAAc/CaAc在不同溫度下模量會(huì)變化三個(gè)數(shù)量級(jí)的特點(diǎn)，這種雙層復(fù)合水凝膠可以在不同溫度下表現(xiàn)出不同的抗脫粘性能。

圖3 雙層水凝膠的響應(yīng)性抗脫粘性能

  之后，研究人員采用經(jīng)典的內(nèi)聚力模型對(duì)剛性背板下水凝膠從基底上剝離的行為進(jìn)行力學(xué)建模與分析。由對(duì)接頭試驗(yàn)給出內(nèi)聚力本構(gòu)關(guān)系。利用打靶法數(shù)值求解該初值問(wèn)題，得到相應(yīng)的脫粘阻力和cohesive zone長(zhǎng)度。

圖4 剝離的力學(xué)模型

  理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，并能初步預(yù)測(cè)背板剛度對(duì)于抗脫粘性能的提升數(shù)值。另外，研究人員還發(fā)現(xiàn)隨著背板剛度的增加，cohesive zone尺寸會(huì)隨之增大，但是當(dāng)cohesive zone區(qū)尺寸受到材料本身長(zhǎng)度的限制時(shí)，模型需要修正，抗脫粘性能也會(huì)下降。

圖5 理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

  綜上所述，本研究報(bào)道了一種通過(guò)利用大規(guī)模橋連機(jī)制來(lái)提高脫粘性能的方法。這一機(jī)制激活了裂紋尖端前方大部分未變形的材料，以抵抗裂紋的初始擴(kuò)展，并通過(guò)單網(wǎng)絡(luò)水凝膠和雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的剝離得到了驗(yàn)證。利用該機(jī)制提高軟材料抗脫粘性能具有普適性，其對(duì)于水凝膠可控脫粘和粘接材料的幾何設(shè)計(jì)都具有一定的啟發(fā)意義。

  更多詳細(xì)信息請(qǐng)參考原文及支撐材料。

  論文第一作者是南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系碩士研究生何耘豐；合作作者包括南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系研究助理教授萬(wàn)曉東博士、本科生陳玉杰，通訊作者是南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝助理教授。

  論文信息與鏈接

  Yunfeng He, Xiaodong Wan, Yujie Chen, Canhui Yang, Enhance the debonding resistance of hydrogel by large-scale bridging. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2021, 104570.

  DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104570

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509621002209

  南方科技大學(xué)軟體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期招收推免直博生，碩、博士研究生，研究助理和博士后等；研究方向包括軟材料力學(xué)，離電材料與器件，新型軟材料設(shè)計(jì)與加工，3D打印等。歡迎對(duì)相關(guān)研究方向感興趣的同學(xué)/博士/學(xué)者郵件聯(lián)系：yangch@sustech.edu.cn。請(qǐng)?jiān)卩]件中做必要的自我介紹。