预测材料何时会开裂

发布时间：23年08月28日

编译王晓涛

物理学家结合两种技术得到了足以预测材料因压力过大而失效的警示信号。

我们用像橡胶、塑料和硅树脂这样的软弹性体制作成千上万的产品，比如垫片、软管和充气筏，但在压力作用下，这些材料往往会在没有任何警告的情况下突然开裂。现在，研究人员运用一种改进方法对压力作用下样品的结构变化进行成像，结果表明在最终失效前几分钟，材料表面会出现一种微妙的分子运动模式。他们相信，在进一步发展之后，这项技术可以帮助工程师监测材料的使用过程，并在材料失效前检测到异常模式并及时发出预警。另外，这些研究人员还证明，他们发现的这个方法同样适用于一些更脆的聚合物材料。

在研究材料的机械故障时，研究人员常常会取一薄片材料并在上面切出一个小切口，然后缓慢施加压力直至将切口拉开。最终，切口会演变成裂缝并迅速扩大。巴黎科学艺术人文大学的材料科学家科斯坦蒂诺 · 克雷顿（Costantino Creton）说，在过去的几年里，这样的实验已经产生了两个适用于弹性体的一般性发现。第一，通过将发光的力敏感分子嵌入到测试材料中，研究人员已经证明，在裂纹出现之前，不可逆的分子键损伤会在非常接近初始缺口（相距0.1毫米以内）的地方累积。第二，其他研究使用高灵敏光谱技术后发现，就在材料出现机械故障之前，更大区域会出现聚合物分子的异常微重排迹象。

克雷顿说，即便如此，研究人员仍旧没能全面认识弹性体失效现象背后的原理，也不知道为什么可以借助上述变化预测弹性体即将失效。他还表示，由于裂纹的出现通常没有任何外在警示标志，许多制造商为了安全起见把各个部件都造得比实际需要的更重、更结实。“因此，如果我们能预测材料何时会发生灾难性故障，就可以大大降低目前在制造多用途软性材料时需要预留的安全裕度。”

为了进一步研究材料失效机制，克雷顿和他的同事们决定将上述两种技术结合起来，也就是联合使用发光分子与先进成像方法。他们将所谓的力敏基团分子嵌入到2毫米厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS，一种硅基材料）样品中。用激光照射样品后，如果压力导致样品化学键遭受不可逆破坏，这些力敏基团就会发光。还是在样品上切出一个小切口，然后慢慢拉伸样品薄片，研究人员就可以看到在不断增加的压力下，样品出现了局部损伤。

尤其值得一提的是，他们测量了拉伸样品到最终出现裂纹时——基本上就是把样品拉伸到超出原始尺寸15%时——受损化学键发出的光是如何增加的。结果显示，在切口周围大约0.1mm×0.1mm的区域内，断裂化学键的数量逐渐增加。另外，就在材料失效之前，这片区域的化学键断裂速度明显加快。

研究人员还利用从样品表面反射回来的激光寻找在毫秒时间尺度上发生的聚合物分子纳米级重排现象。克雷顿说，这项技术需要用到一种相当不透明的材料，这样光线才能在穿透表面几毫米后就反射回来。研究人员借助这项技术证明，在逐渐拉伸材料样本的过程中，除了靠近切口的分子会受到破坏之外，附近（最远可达距切口1厘米处）没有损坏的分子也会发生移动。