В EPFL (Швейцария) разработан 3D-печатный эластомер с в 15 раз более высокой трещиностойкостью и в 3 раза повышенной усталостной прочностью

Репортаж от Wedoany，Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Лозанны (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) разработали 3D-печатный эластомер, обладающий одновременно высокой трещиностойкостью и усталостной прочностью, что решает ключевую проблему компромисса, ранее ограничивавшую применение мягких материалов в робототехнике, носимой электронике и биомедицинских устройствах.

Исследование, проведенное под руководством Лаборатории мягких материалов (Soft Materials Laboratory), опубликовано в журнале Science Advances. Результаты показывают, что наиболее эффективная версия, названная двухсетчатыми гранулированными эластомерами (double network granular elastomers, DNGEs), обладает трещиностойкостью в 15 раз выше, а усталостной прочностью в 3 раза выше, чем традиционные односетчатые и объемные двухсетчатые эластомеры с одинаковым химическим составом.

Структура DNGEs состоит из жестких частиц эластомера, соединенных более мягкой второй полимерной сеткой. Первоначально исследователи разработали эту структуру для того, чтобы материал можно было экструдировать в качестве чернил для 3D-печати с тонко контролируемыми механическими свойствами.

Команда, включая автора-корреспондента Эстер Амстад, обнаружила, что такая архитектура также позволяет материалу многократно рассеивать механическую энергию без накопления необратимых повреждений. В исследовании отмечается, что такое сочетание встречается крайне редко: обычно трещиностойкие эластомеры деградируют при повторяющихся нагрузках, а усталостойкие легко разрываются при чрезмерном растяжении.

Амстад, руководитель Лаборатории мягких материалов EPFL, заявила, что первоначальный фокус был на улучшении технологичности, но после формирования гранулированной структуры выяснилось, что эти материалы также очень прочны. Она объяснила, что эта прочность во многом обусловлена повторяющимся механизмом рассеивания энергии: материал может многократно поглощать энергию, не разрушаясь необратимо.

При растяжении DNGEs передают механическую деформацию от более жестких частиц к более мягким межчастичным областям, где полимерные цепи могут скользить и перестраиваться, рассеивая энергию, вместо того чтобы необратимо разрываться. Амстад пояснила, что по сути две разные сетки — одна из гранулированного эластомера, другая из мягкого эластомера — распределяют между собой механическую деформацию, делая материал в целом более прочным. Исследование также указывает, что гранулированная структура заставляет трещины расти по извилистым путям через более мягкие межчастичные области, а не по прямым линиям, замедляя их рост и откладывая разрушение.

Используя печатаемость материала, исследователи изготовили с помощью 3D-печати композиты с локальным изменением состава, включая армированные волокном структуры и конструкции типа «сердцевина-оболочка», вдохновленные биссусными нитями мидий, которые сочетают жесткость с прочностью и усталостной стойкостью, обычно присущими только более мягким составам. Эти чернила экструдировались с использованием коммерческих 3D-принтеров.

В настоящее время команда работает над созданием эластомеров из биоразлагаемых и перерабатываемых материалов. Амстад заявила, что цель — использовать более устойчивые материалы без ущерба для механических свойств. Расширение спектра используемых материалов позволит не только уменьшить экологический след DNGEs, но и сделать их более доступными для любой лаборатории, имеющей коммерческий 3D-принтер.