Forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har ökat utmattningströskeln för partikelförstärkt gummi, och utvecklat ett nytt, flerskaligt tillvägagångssätt som tillåter materialet att bära höga belastningar och motstå spricktillväxt vid upprepad användning. Detta tillvägagångssätt kan inte bara öka livslängden på gummiprodukter som däck utan också minska mängden föroreningar från gummipartiklar som tappas ut under användning.

Forskningen publiceras i Nature .

Naturligt förekommande gummilatex är mjuk och stretchig. För en rad applikationer, inklusive däck, slangar och dämpare, är gummin förstärkta av styva partiklar, såsom kimrök och kiseldioxid. Sedan de introducerades har dessa partiklar avsevärt förbättrat gummits styvhet men inte deras motståndskraft mot spricktillväxt när materialet sträcks cykliskt, ett mått som kallas utmattningströskeln.

Faktum är att utmattningströskeln för partikelförstärkta gummin inte har förbättrats mycket sedan den först mättes på 1950-talet. Det betyder att även med förbättringar av däck som ökar slitstyrkan och minskar bränsleförbrukningen, kan små sprickor släppa ut stora mängder gummipartiklar i miljön, vilket orsakar luftföroreningar för människor och ackumuleras i bäckar och floder.

I tidigare forskning har ett team under ledning av Zhigang Suo, Allen E. och Marilyn M. Puckett professor i mekanik och material vid SEAS, markant ökat utmattningströskeln för gummi genom att förlänga polymerkedjor och förtäta förvecklingar. Men vad sägs om partikelförstärkta gummin?

Teamet lade till kiseldioxidpartiklar till sitt mycket intrasslade gummi, och trodde att partiklarna skulle öka styvheten men inte påverka utmattningströskeln, vilket vanligtvis rapporteras i litteraturen. De hade fel.

"Det var en ganska överraskning", säger Jason Steck, en före detta doktorand vid SEAS och medförfattare till tidningen. "Vi förväntade oss inte att tillsats av partiklar skulle öka utmattningströskeln men vi upptäckte att den ökade med en faktor 10."

Steck är nu forskningsingenjör på GE Aerospace.

I Harvard-teamets material är polymerkedjorna långa och mycket intrasslade, medan partiklarna är klustrade och kovalent bundna till polymerkedjorna.

"Som det visar sig", sa Junsoo Kim, en före detta doktorand vid SEAS och medförfattare till uppsatsen, "dekoncentrerar detta material spänningen runt en spricka över två längdskalor:polymerkedjornas skala och partiklarnas skala. . Denna kombination stoppar tillväxten av en spricka i materialet."

Kim är nu biträdande professor i maskinteknik vid Northwestern University.

Teamet visade sitt tillvägagångssätt genom att skära en spricka i en bit av sitt material och sedan sträcka ut den tiotusentals gånger. I deras experiment växte sprickan aldrig.

"Vårt tillvägagångssätt för spänningsdekoncentration i flera skalor utökar utrymmet för materialegenskaper, öppnar dörrar för att minska polymerföroreningar och bygger högpresterande mjuka maskiner", säger Suo, senior författare till studien.

"Traditionella tillvägagångssätt för att designa nya elastomeriska material missade dessa kritiska insikter om att använda multiskala spänningsdekoncentration för att uppnå högpresterande elastomeriska material för breda industriella användningsområden", säger Yakov Kutsovsky, en expert på residens vid Harvard Office of Technology Development och medförfattare till tidningen.

"Designprinciper som utvecklats och demonstrerats i det här arbetet kan vara tillämpliga inom ett brett spektrum av industrier, inklusive stora applikationer som däck och industriella gummivaror, såväl som nya applikationer som bärbara enheter."

Kutsovsky har tidigare tjänstgjort som Chief Scientific Officer och Chief Technology Officer på Cabot Corporation i 15 år.

Harvards Office of Technology Development har skyddat den immateriella egendom som är associerad med detta projekt och undersöker kommersialiseringsmöjligheter.

Mer information: Jason Steck et al, Multiscale spänningsdekoncentration förstärker utmattningsmotstånd hos gummi, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06782-2

Journalinformation: Natur

Tillhandahålls av Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences