洛桑联邦理工学院的研究人员报告了一种3D打印弹性体，它将高抗断裂性与高抗疲劳性结合在一起，解决了限制软材料应用于机器人、可穿戴电子产品和生物医学设备的一个技术取舍难题。

这项由软材料实验室领导、发表在《科学进展》上的研究发现，这种被称为双网络颗粒弹性体的材料，其性能最佳的版本展现出比同化学成分的传统单网络和块状双网络弹性体高出15倍的断裂韧性和3倍的抗疲劳性。

DNGEs由刚性弹性体微粒通过较软的第二聚合物网络连接而成，研究人员最初设计这种结构是为了使材料成为可挤出、力学性能可精细控制的3D打印墨水。

包括通讯作者Esther Amstad在内的团队发现，同样的结构也让材料能够反复耗散机械能而不积累永久损伤。研究指出，这种组合很罕见，因为抗断裂的弹性体通常在重复应力下降解，而抗疲劳的弹性体往往在过度拉伸时断裂。

“最初，我们的重点是改善可加工性，但一旦拥有了颗粒结构，我们发现这些材料也非常坚韧，”EPFL软材料实验室负责人Amstad表示。

“然后，我们意识到这种坚韧很大程度上来自重复的能量耗散机制——材料可以反复吸收能量而不会发生不可逆断裂。”

颗粒结构如何重新分布应力
当被拉伸时，DNGEs将机械应变从较硬的微粒转移到它们之间较软的间隙区域，在那里聚合物链可以滑动和重新排列以耗散能量，而不是发生不可逆断裂。

“本质上，两种不同的网络——一个由颗粒状弹性体微粒构成，另一个由软弹性体构成——共享机械应变，使材料整体更坚固，”Amstad解释道。根据该研究，颗粒结构还迫使裂纹在较软的间隙区域中走出蜿蜒路径而非直线路径，从而减缓裂纹扩展并延迟破坏。

打印复合材料并着眼可持续性
研究人员利用该材料的可打印性，3D打印了具有局部变化成分的复合材料，包括一种纤维增强结构和一种受贻贝足丝启发的核壳设计，将刚度与通常在较软配方中才具备的韧性和抗疲劳性结合起来。这些墨水通过一台商业3D打印机挤出。

团队目前正致力于使用可生物降解和回收材料来配制这些弹性体。“我们的目标是在不影响力学性能的前提下引入更具可持续性的材料，”Amstad说。

“通过扩大我们可以使用的材料范围，我们不仅可以降低DNGEs的环境足迹，还可以让任何拥有商业3D打印机的实验室更容易获得这些材料。”