Stretchable and fatigue-resistant materials

材料科学 韧性 复合材料 承重 天然橡胶 断裂韧性 纤维 复合数 巴黎法 断裂力学 裂缝闭合
作者
Chunping Xiang,Zhengjin Wang,Canhui Yang,Xi Yao,Yecheng Wang,Zhigang Suo
出处
期刊:Materials Today [Elsevier]
卷期号:34: 7-16 被引量:199
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2019.08.009
摘要

In developing a material for a load-bearing application, attention inevitably falls on the resistance of the material to the growth of a crack, characterized by toughness under monotonic load, and by threshold under cyclic load. Many methods have been discovered to enhance toughness, but they do not enhance threshold. For example, stretch-induced crystallization and inorganic fillers have made the toughness of natural rubber well above 10000 J/m2, but have left the threshold of natural rubber around 50 J/m2. Here we describe a principle of stretchable and fatigue-resistant materials. To illustrate the principle, we embed unidirectional fibers of a soft and stretchable material in a matrix of a much softer and much more stretchable material, and adhere the fibers and the matrix by sparse and covalent interlinks. When the composite is cut with a crack and subject to a load, the soft matrix shears readily and delocalizes the high stretch of a fiber over a long segment. A threshold of 1290 J/m2 is reached, below which the composite does not suffer any mode of failure (fiber break, kink crack, or matrix fracture). The principle of stretchable and fatigue-resistant materials is applicable to various materials, layouts, and methods of fabrication, opening an enormous design space for general applications.
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