纖維增強(qiáng)軟復(fù)合材料由于其諸多優(yōu)異性能在工業(yè)中有非常廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)軟復(fù)合材料通常由軟硬兩種組分經(jīng)過層壓制成，軟相一般為橡膠等彈性體，硬相一般為纖維織物。這類軟/硬結(jié)合能夠使得復(fù)合材料在拉伸時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)于金屬的高比強(qiáng)度，而在彎曲時(shí)又具有良好的柔韌性。盡管目前工業(yè)上的軟復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但這類材料有一個(gè)通?。狠^弱的抗撕裂性。即一旦出現(xiàn)裂紋，材料性能將會(huì)大幅度下降。因此，如果能提高傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)軟復(fù)合材料的抗撕裂性，將大幅度提高材料的使用壽命，降低工業(yè)成本。
材料的抗撕裂性，或者說韌性（toughness），一般由斷裂能（Г）來表征。這一材料屬性通常受兩個(gè)參數(shù)影響：
1）能量耗散區(qū)域的尺寸大?。╨T）；
2）耗散區(qū)域內(nèi)的能量耗散密度（W）。
這三者之間存在Г=W·lT的關(guān)系。因此，若要提高材料的抗撕裂性，則需要考慮同時(shí)提高lT和W 。理論上來說， lT與復(fù)合材料的纖維/基體模量比成正比關(guān)系，W則依賴于纖維和基體的能量耗散能力。
基于以上理論，北海道大學(xué)龔劍萍教授團(tuán)隊(duì)使用一種兼具粘性（adhesive）,低模量(soft)，高韌性（tough）的新型粘彈性體（viscoelastomer）與高強(qiáng)度高模量纖維織物結(jié)合，成功制備出斷裂能高達(dá)2500 kJ m-2的纖維增強(qiáng)軟復(fù)合材料，遠(yuǎn)優(yōu)于目前工業(yè)上的任何高韌性材料。同時(shí)該軟復(fù)合材料還具有高強(qiáng)度，低密度，有望在對(duì)安全性要求極高的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 1907180)上。論文的第一作者為北海道大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生崔為，通訊作者為北海道大學(xué)龔劍萍教授。
設(shè)計(jì)策略及基體選擇：
為了同時(shí)優(yōu)化W和lT兩項(xiàng)參數(shù)，必須在滿足界面不破壞的情況下，最大限度地提高纖維/基體模量比以及兩種組分的韌性（圖1a）?；w的選擇便變得尤為重要。傳統(tǒng)的橡膠等基體能夠賦予材料較高的模量比，也具有較高的韌性，但界面脫粘往往導(dǎo)致復(fù)合材料還未達(dá)到W和lT的理論值便已損壞，因此最終的斷裂能較低（101-102 kJ m-2）。此工作選用的粘彈性體（圖1b）可直接由液態(tài)單體聚合而成，在聚合前可以充分浸潤纖維束，從而在聚合后同時(shí)形成互鎖（interlocking）及粘接（interfacial bonding）結(jié)構(gòu)。更重要的是，該基體兼具粘性（adhesive）,低模量(soft)，高韌性（tough） （圖1c） ，第一種性能保證了受力過程中的界面完整性（圖1d, e） ，使得纖維/基體之間有極好的力學(xué)傳遞，第二種性質(zhì)使得復(fù)合材料具有高纖維/基體模量比，從而具有很高的lT ，后一種性質(zhì)賦予復(fù)合材料很高的W，最終賦予復(fù)合材料極高的斷裂能。
超強(qiáng)性能：
新型纖維增強(qiáng)軟復(fù)合材料同傳統(tǒng)軟復(fù)合材料一樣具有良好的柔韌性（圖2a）,但卻表現(xiàn)出更加優(yōu)越的抗撕裂性能（圖2b）。單軸拉伸測(cè)試表明該復(fù)合材料相比于單獨(dú)的纖維織物或基體有更高的拉伸強(qiáng)度（圖2c），撕裂測(cè)試則表明該復(fù)合材料的斷裂能比單獨(dú)的纖維織物或基體高出了三個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2d）。
超強(qiáng)韌性要素一：高纖維/基體模量比導(dǎo)致的超大的lT
通過選用兩種相同化學(xué)組分但不同單體摩爾比的基體，與同一種纖維織物結(jié)合，可以對(duì)軟復(fù)合材料的纖維/基體模量比進(jìn)行調(diào)控，從而驗(yàn)證模量比與lT之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在較大尺寸下，具有高模量比的軟復(fù)合材料能夠達(dá)到更高的斷裂能（圖3a）。寬度依賴性測(cè)試則表明，具有高模量比的軟復(fù)合材料具有更大的lT實(shí)驗(yàn)值（由w2進(jìn)行表示，圖3b）。在此工作中，纖維/基體模量比高達(dá)105 。對(duì)多種不同纖維/基體組成，不同測(cè)試速度的軟復(fù)合材料測(cè)試表明，其lT實(shí)驗(yàn)值與纖維/基體模量比的1/2次方成正比（圖3c）。該關(guān)系僅在纖維/基體界面不破壞的條件下成立（圖3d）。
超強(qiáng)韌性要素二：高韌性纖維及基體導(dǎo)致的超大W
在闡明決定lT的決定因素后，作者發(fā)現(xiàn)，該工作中的纖維增強(qiáng)軟復(fù)合材料，其W值由兩種組分（纖維及粘彈性體）的體積平均能量耗散密度加權(quán)值決定（圖4a）。在此工作中，兩種組分的能量耗散密度達(dá)到107J m-3.
與傳統(tǒng)強(qiáng)韌工業(yè)材料的對(duì)比
由于此纖維復(fù)合材料兼具高lT（達(dá)到厘米級(jí)）和高W，其斷裂能遠(yuǎn)高于現(xiàn)有工業(yè)材料（圖4b） 。將此工作中的材料與工業(yè)上常見的多種材料進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)其兼具了高強(qiáng)度，高模量，高韌性，低密度的優(yōu)異性能（圖4b,c,d,e,f），這是現(xiàn)有工業(yè)材料難以達(dá)到的。
這份工作從制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基本理論出發(fā)，挑選出了最理想的纖維/基體組合，成功開發(fā)出兼具多項(xiàng)優(yōu)異性能的新型軟復(fù)合材料，為超強(qiáng)超韌材料的制備提供新的指導(dǎo)思路。
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