Surpassing the stiffness-extensibility trade-off of elastomers via mastering the hydrogen-bonding clusters

可扩展性 刚度 弹性体 材料科学 聚二甲基硅氧烷 模数 复合材料 弹性模量 结构工程 拓扑(电路) 计算机科学 工程类 电气工程 程序设计语言
作者
Zhen Zhang,Jiancheng Luo,Sheng Zhao,Sirui Ge,Jan‐Michael Y. Carrillo,Jong K. Keum,Changwoo Do,Shiwang Cheng,Yangyang Wang,Alexei P. Sokolov,Pengfei Cao
出处
期刊:Matter [Elsevier BV]
卷期号:5 (1): 237-252 被引量:63
标识
DOI:10.1016/j.matt.2021.11.007
摘要

The current paradigm of elastomer design typically falls into the trade-off between stiffness and extensibility. With a few reports on circumventing this trade-off behavior, e.g., increasing Young's modulus without sacrificing extensibility, the design principles to achieve improvements in both stiffness and extensibility have rarely been demonstrated. Herein, with a model system, i.e., cross-linked polydimethylsiloxane (PDMS) network, we demonstrate two approaches that can surpass the stiffness-extensibility trade-off and provide significant improvement in both parameters. Such an achievement is realized by introducing rationally arranged hydrogen-bonding units, i.e., ureidopyrimidone (UPy), leading to simultaneously improved Young's modulus and extensibility up to 158 and 3 times, respectively. Based on the experimental results, we also propose a microscopic picture of network rearrangement during the stretching process. Moreover, using this picture, we further improved Young's modulus of the elastic network without affecting its extensibility through mastering the distribution/topology of UPy clusters.
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