为什么切割弹性体比撕裂更轻松？—— 多尺度揭示软材料断裂与切割力学差异及其意义

在材料科学领域，软而坚韧的材料如橡胶、皮革、肉类等，撕裂困难但切割容易。为探究其原因，研究人员以聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体为对象，运用机械敏感荧光团标记样本研究切割和断裂行为。结果表明，刀片切割可降低裂纹扩展所需拉伸和钝化程度，减少断裂能。这为优化工程应用提供依据。

　　在日常生活和工业生产中，我们常常会接触到各种软而坚韧的材料，像橡胶、皮革以及肉类等。这些材料有个很有趣的现象，那就是用手撕它们非常困难，即便提前开个小口来削弱，也很难撕开；但要是用锋利的刀片去切割，就轻松多了，不仅用力小，还能更好地控制切割形状和表面平整度。可别小看这个现象，它背后隐藏的科学原理，对很多领域都有着至关重要的影响。比如在设计防护装备时，材料得能抵抗刀片、针头的穿刺；在体育器材方面，过于坚韧的材料要是意外接触到刀片，可能会突然损坏。然而，一直以来，材料对切割和撕裂的不同抗性来源，始终是个谜团，这也限制了我们进一步优化材料性能。所以，为了揭开这个谜团，法国 ESPCI Paris、CNRS、PSL University 等机构的 Donghao Zhao、Alex Cartier、Tetsuharu Narita 等研究人员展开了深入研究 。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解软材料的力学性能打开了新的大门。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：一是样本制备技术，将机械荧光 π - 延伸蒽马来酰亚胺探针（Diels - Alder 交联剂，DACL）通过硅氢化反应，以 2mol?m^-3的比例掺入到 Sylgard 184（10:1 基础剂：固化剂）的 PDMS 中，制备出含有机械荧光团的样本；二是纯剪切切割实验，对预拉伸的 PDMS 样本进行切割，记录切割过程中的力和位移等数据，观察裂纹扩展情况；三是通过共聚焦显微镜对断裂后的样本进行成像，利用机械荧光团受外力断裂后产生荧光的特性，对聚合物链的损伤进行定量分析。

下面来看看具体的研究结果：

• 增加预拉伸对切割能量的影响：研究人员对不同预拉伸比（λ）的 PDMS 样本进行切割测试，记录力 - 位移曲线。结果发现，曲线都有一个初始弹性加载阶段，之后刀片切入样本，力达到平稳状态。平稳阶段的力会随着预拉伸比的增加而降低。进一步分析裂纹扩展能量，发现其变化可分为三个区域。区域 I（λ<1.14），样本会因裂纹唇部与刀片侧面摩擦，出现平面外褶皱或切割力增大的情况；区域 II（1.14<><><λ<1.42）时，切割力持续下降，总应变能释放率显著增加；区域 iii（λ>1.42），预拉伸足够大，裂纹在刀片前稳定扩展，样本与刀片无接触。此外，随着预拉伸增加，裂纹尖端开口增大，用钝化半径（r_b）来衡量，其与切割力呈负相关。!--λ1.42）时，切割力持续下降，总应变能释放率显著增加；区域--
• 比较切割和断裂能量：对比区域 II 和区域 III，发现区域 II 的裂纹扩展能量系统地低于区域 III 的纯断裂能量。而且，裂纹扩展能量随预拉伸和裂纹尖端钝化程度增加而增加，这表明锋利刀片切割不仅为断裂过程提供部分能量，还能降低裂纹扩展所需总能量。
• 纯剪切切割中网络损伤的可视化和量化：研究人员将机械荧光团掺入 PDMS 弹性体网络，通过共聚焦显微镜映射荧光强度，定量分析聚合物链损伤。结果显示，损伤区域的激活比（φ_y）在接近断裂表面时，远超过样本本体的 0.02%，表明切割过程导致大量共价键断裂。定义损伤区域为激活比超过该阈值的区域，发现损伤区域深度（d）和无量纲损伤表面密度（Σ）都随预拉伸增加而增加，且与裂纹扩展能量变化趋势一致。同时，损伤区域深度与裂纹钝化半径成正比。

综合研究结果和讨论部分，此次研究首次对弹性体在切割和拉伸组合作用下的分子损伤程度进行了映射。研究发现，总切割能量与单位面积断裂键数（由机械荧光团量化）成正比，类似于断裂扩展过程。但刀片的使用减少了断裂扩展所需的拉伸量，进而减小了裂纹尖端的钝化半径，缩小了材料发生大应变的体积，降低了网络中过载链失效的可能性，使断裂键区域比简单撕裂更集中，减少了裂纹扩展所需的总能量。虽然研究使用的是相对脆性的 PDMS 模型系统，但对于更坚韧、更具粘弹性的弹性体，如丁苯橡胶（SBR）、多网络弹性体、填充橡胶或热塑性弹性体，锋利刀片减少断键程度的效果可能更显著。此外，理解网络结构与切割、撕裂条件下分子损伤程度的关系，对优化材料设计意义重大，有助于开发出在防护装备、生物医学设备、软机器人组件以及轮胎和工业密封等领域更耐用、性能更好的材料。