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聚合物

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变色探针映射软材料中的应力

伸长率测试的图像

直接测量软材料变形时的应力绝非易事,但是法国和美国的研究人员团队现在已经开发出了一种能够改变颜色的力响应探针。该设备基于嵌入在弹性聚合物(弹性体)网络中的力敏感分子,可用于仅通过光学手段在结构中建立内部力的定量图。

当将机械载荷施加到不规则形状的物体上时,其产生的应力和应变也会不规则。测量这些内力对于预测物体将在何处破裂非常重要,但是由于软材料通常会在其破裂之前发生相当大的变形,因此特别难以进行测量。

目前,只有几种技术可以直接测量软材料中的应力。最常见的方法是测量应变,然后执行数学模拟以计算相应的应力。然而,已知这样的计算对于大应变和强应变梯度是不可靠的。

力敏感分子

近年来,研究人员一直在探索用结合到聚合物中的力敏感分子制造应力传感器的方法。当这些“机械分子”分子被足够大小的力激活时,它们会发生化学反应,从而导致其光学性质(例如荧光,发光和颜色)发生变化。

一种常用的机械载体是称为螺吡喃的有机化合物。当含螺吡喃的聚合物网络变形时,作用于该分子键上的力使其转变成吸收可见光的称为花菁的化学变体。通过在样品上照射光并监视其颜色从透明到蓝色的变化,研究人员可以直接测量经历化学反应的分子比例。反过来,这使它们可以在观察到颜色变化的点上测量施加在材料上的平均应力。

机械化学

“这个研究领域被称为机械化学-即由力学触发的化学,”解释说 Costantino Creton 来自 嵌入式PCI 在巴黎领导了新的研究工作。 “它为仅使用光学可视化技术测量内力提供了许多可能性。”

但是,从定性的变色检测到定量绘制异质应力场,并不像听起来那样容易。首先,克雷顿(Creton)及其同事指出,螺吡喃必须随机且均匀地掺入被测材料中。在分子上产生的平均力还必须与施加的宏观应力直接相关,并且分子传感器应在材料破裂之前激活。

校准曲线

研究人员在两种具有非常不同的硬化性能的弹性体材料上测试了他们的技术。他们首先将螺吡喃作为交联剂掺入这些材料中,并追踪了分子沿单轴施加张力时分子的颜色变化。通过改变弹性体网络中螺吡喃的浓度,他们得出了施加应力与颜色变化的校准曲线。然后,他们使用该应力-颜色曲线来确定样品中预先存在的裂纹周围的应力分布。如上所述,由于材料具有强烈的局部应力梯度,因此使用常规技术很难获得这种应力分布。

之后,该团队还包括来自 科罗拉多大学博尔德分校,将实验应力场与相同材料的理论模拟进行了比较。 Creton说,光学测量值与这些计算结果完全匹配,从而验证了该方法。

这种内部探测技术,在下面详细介绍 科学进步他补充说,可以用来测试软,硬材料的统计断裂模型,更广泛地说,可以用(红绿蓝)照相机通过简单的光学观察来量化不规则形状物体的应力。

研究人员说,他们现在想在具有广泛应用范围的复合材料上尝试其方法。 “我们还想测试具有非常不同的内部结构和复杂的机械性能的超材料,” Creton说道。 物理世界。这些材料是人工工程合成的化合物,具有自然材料中罕见或不存在的诸如负泊松比之类的特性。

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年