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  當(dāng)塑料薄膜的表面有水時(shí)，它可以與另一個(gè)塑料薄膜粘合在一起。通過剪切很難將其分開，但通過剝離卻很容易將其分開。這樣一個(gè)生活中常見的現(xiàn)象卻引出了兩種常用于表征軟材料力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方法：搭接剪切與剝離。隨著軟材料在工程、生命、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，其力學(xué)性質(zhì)的表征對(duì)于相關(guān)應(yīng)用至關(guān)重要。搭接剪切與剝離均可以用來測(cè)量軟材料的韌性，然而其測(cè)量結(jié)果卻很少被放在一起比較。由于兩種方法的力學(xué)原理存在較大差異，搭接剪切與剝離測(cè)得的軟材料韌性是否一致是一個(gè)長期被忽視的重要科學(xué)問題，將直接影響軟材料韌性表征的準(zhǔn)確性和應(yīng)用的可靠性。

  最近，哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組對(duì)這一重要科學(xué)問題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。他們以聚丙烯酰胺水凝膠為例，使用剪刀引入裂紋，通過搭接剪切、90度剝離與180度剝離對(duì)水凝膠的韌性進(jìn)行了測(cè)量和比較。發(fā)現(xiàn)三種方法測(cè)得的水凝膠韌性大致相同。同時(shí)，相比90度剝離與180度剝離，搭接剪切的測(cè)量結(jié)果分散性較大。為了進(jìn)一步研究搭接剪切的測(cè)量結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了另外兩組系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。首先，通過預(yù)剝離的方式引入裂紋，解決了搭接剪切測(cè)量結(jié)果分散性的問題，三種方法測(cè)得了大致相同的水凝膠韌性。其次，通過不同厚度的薄片在水凝膠中引入具有不同直徑的缺口，分別使用搭接剪切、90度剝離與180度剝離測(cè)量了含有不同直徑缺口水凝膠的韌性。發(fā)現(xiàn)搭接剪切的測(cè)量結(jié)果隨缺口直徑增加而增大，而90度剝離與180度剝離測(cè)得的韌性不隨缺口直徑變化。以上研究和發(fā)現(xiàn)為搭接剪切與剝離測(cè)量軟材料的韌性提供了指導(dǎo)，豐富和發(fā)展了軟材料力學(xué)。 

圖1 軟材料的搭接剪切與剝離

  如圖1 所示，在搭接剪切過程中，軟材料整體發(fā)生剪切變形。當(dāng)力達(dá)到峰值時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展并迅速貫穿軟材料，導(dǎo)致其發(fā)生破壞。因此，峰值力對(duì)應(yīng)于材料的韌性。在剝離過程中，只有剝離前端局部的軟材料發(fā)生變形，而軟材料的其他部分不發(fā)生變形。當(dāng)力達(dá)到峰值時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展。隨后，力會(huì)從峰值下降至一個(gè)平臺(tái)并保持，裂紋從而在軟材料中達(dá)到穩(wěn)定擴(kuò)展。因此，平臺(tái)力對(duì)應(yīng)于材料的韌性。

圖2 含有通過剪刀引入裂紋的水凝膠用以韌性測(cè)量

  為了比較搭接剪切與剝離的測(cè)量結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)使用剪刀在水凝膠中引入一個(gè)裂紋，分別使用搭接剪切、90度剝離與180度剝離對(duì)水凝膠的韌性進(jìn)行了測(cè)量（圖2）。結(jié)果表明，三種方法測(cè)得的韌性的平均值大致相同，但搭接剪切的測(cè)量結(jié)果分散性較大。同時(shí)，兩種剝離方法中的峰值力也存在較大的分散性。由于水凝膠試樣很軟，且又薄又寬，所以經(jīng)常需要剪多次才能引入一個(gè)完整的裂紋。因此，用剪刀引入的裂紋通常會(huì)擁有不同的尺寸、位置或取向，成為導(dǎo)致搭接剪切測(cè)量結(jié)果分散性的主要原因。

圖3 含有通過預(yù)剝離引入裂紋的水凝膠用以韌性測(cè)量

  為了印證上述搭接剪切測(cè)量結(jié)果分散性的主要原因，該團(tuán)隊(duì)通過預(yù)剝離的方式引入裂紋，分別使用搭接剪切、90度剝離與180度剝離測(cè)量了水凝膠的韌性，解決了搭接剪切測(cè)量結(jié)果分散性的問題，得到了與兩種剝離方法大致相同的韌性測(cè)量結(jié)果（圖3）。同時(shí)，兩種剝離方法中的峰值力也被移除了。

圖4 搭接剪切對(duì)含有不同直徑缺口水凝膠的測(cè)量結(jié)果

圖5 90度剝離對(duì)含有不同直徑缺口水凝膠的測(cè)量結(jié)果

圖6 180度剝離對(duì)含有不同直徑缺口水凝膠的測(cè)量結(jié)果

  為了進(jìn)一步研究搭接剪切的測(cè)量結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)通過不同厚度的薄片在水凝膠中引入了具有不同直徑的缺口，并使用搭接剪切、90度剝離與180度剝離對(duì)含有不同直徑缺口的水凝膠進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，搭接剪切的測(cè)量結(jié)果隨缺口直徑增加而增大（圖4），而90度剝離與180度剝離中的峰值力雖然隨缺口直徑變化，但測(cè)得的韌性不隨缺口直徑變化（圖5和圖6）。

  鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)以聚丙烯酰胺水凝膠為例，對(duì)用搭接剪切與剝離來表征軟材料的韌性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和比較。對(duì)于含有剪刀引入裂紋的試樣，搭接剪切與剝離測(cè)得的韌性大致相同，但搭接剪切的測(cè)量結(jié)果分散性較大。對(duì)于含有通過預(yù)剝離引入裂紋的試樣，搭接剪切與剝離測(cè)得的韌性大致相同，且搭接剪切的測(cè)量結(jié)果分散性較小。對(duì)于含有不同直徑缺口的試樣，搭接剪切的測(cè)量結(jié)果隨缺口直徑的增加而增大，而剝離中的峰值力雖然隨缺口直徑變化，但測(cè)得的韌性不隨缺口直徑變化。該研究和發(fā)現(xiàn)對(duì)用搭接剪切與剝離來表征軟材料的韌性提供了指導(dǎo)，豐富和發(fā)展了軟材料力學(xué)。 

  這項(xiàng)研究工作發(fā)表于Journal of the Mechanics and Physics of Solids。論文第一作者為王葉成博士（哈佛大學(xué)博士、博士后），第二作者為尹騰昊（浙江大學(xué)博士生、哈佛大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)）。美國科學(xué)院院士、美國工程院院士、哈佛大學(xué)鎖志剛教授為論文通訊作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104348