De vermoeidheidsdrempel van met deeltjes versterkt rubber is op een nieuwe manier verbeterd

Bedankt. Luister naar dit artikel met behulp van de speler hierboven. ✖

Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) zijn erin geslaagd de vermoeidheidsdrempel van met deeltjes versterkt rubber te verhogen en een nieuwe aanpak op meerdere schaalniveaus te ontwikkelen waarmee het materiaal hoge belastingen kan weerstaan ​​en scheurgroei kan weerstaan bij herhaald gebruik. Deze aanpak verlengt niet alleen de levensduur van rubberproducten zoals banden, maar kan ook de hoeveelheid vervuiling verminderen die wordt veroorzaakt door vallende rubberdeeltjes tijdens gebruik.

Het onderzoek is gepubliceerd in natuur.

Natuurlijk rubberlatex is zacht en rekbaar. Voor een reeks toepassingen, waaronder banden, slangen en dempers, wordt rubber versterkt met vaste deeltjes, zoals roet en silica. Sinds hun introductie hebben deze deeltjes de taaiheid van rubber aanzienlijk verbeterd, maar niet de weerstand tegen scheurgroei wanneer het materiaal periodiek wordt uitgerekt, een meting die bekend staat als de vermoeidheidsdrempel.

In feite is de vermoeidheidsdrempel van met deeltjes versterkt rubber niet veel verbeterd sinds deze voor het eerst werd gemeten in de jaren vijftig. Dit betekent dat zelfs met verbeteringen aan banden die de slijtvastheid verhogen en het brandstofverbruik verminderen, kleine scheurtjes ertoe kunnen leiden dat grote hoeveelheden rubberdeeltjes in het milieu worden gedumpt, wat menselijke luchtvervuiling veroorzaakt en zich ophoopt in beken en rivieren.

In eerder onderzoek heeft een team onder leiding van Zhigang Suo, de Allen E. en Marilyn M. Puckett hoogleraar Mechanica en Materialen bij SEAS, de vermoeidheidsdrempel van rubber aanzienlijk verhoogd door de polymeerketens te verlengen en de verstrengelingen te condenseren. Maar hoe zit het met deeltjesversterkt rubber?

Het team voegde silicadeeltjes toe aan hun sterk verknoopte rubber, in de overtuiging dat de deeltjes de stijfheid zouden vergroten maar de vermoeidheidsdrempel niet zouden beïnvloeden, zoals algemeen wordt aangenomen in de literatuur. Ze hadden het mis.

“Het was een grote verrassing”, zegt Jason Steck, een voormalig afgestudeerde student aan de School of Applied and Political Sciences (SEAS) en co-eerste auteur van het artikel. “We hadden niet verwacht dat de toevoeging van deeltjes de vermoeidheidsdrempel zou verhogen, maar we ontdekten dat deze met een factor tien toenam.”

Steck is nu onderzoeksingenieur bij GE Aerospace.

In het materiaal van het Harvard-team zijn de polymeerketens lang en sterk met elkaar verweven, terwijl de moleculen clusteren en covalent aan de polymeerketens zijn gekoppeld.

“Het blijkt dat dit materiaal de spanning rond de scheur op twee lengteschalen deconcentreert: de schaal van de polymeerketens en de deeltjesgrootte”, zegt Junsu Kim, een voormalige afgestudeerde student bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. Dit mengsel stopt de groei van scheuren in het materiaal.”

Kim is nu assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Northwestern University.

Het team demonstreerde hun aanpak door een scheur in een stuk materiaal te snijden en dit vervolgens tienduizenden keren uit te rekken. In hun experimenten groeide de scheur nooit.

“Onze benadering van stressdeconcentratie op meerdere schaalniveaus breidt de ruimte voor materiaaleigenschappen uit, opent deuren om de vervuiling van polymeren te verminderen en hoogwaardige zachte machines te bouwen”, zegt Su, hoofdauteur van het onderzoek.

“Traditionele benaderingen voor het ontwerpen van nieuwe flexibele materialen hebben deze kritische ideeën over het gebruik van meerschalige spanningsdeconcentratie gemist om hoogwaardige flexibele materialen voor breed industrieel gebruik te bereiken”, zegt Yakov Kotsovsky, een expert aan het Harvard Office of Technology Development en co-auteur van het boek. studie. de krant. “De ontwerpprincipes die in dit werk zijn ontwikkeld en gedemonstreerd, zouden toepasbaar kunnen zijn in een breed scala van industrieën, waaronder grootschalige toepassingen zoals banden en industriële rubberproducten, maar ook opkomende toepassingen zoals draagbare apparaten.”

referentie: Steck J, Kim J, Kutsovsky Y, Suo Z. Multiscale spanningsdeconcentratie versterkt de vermoeidheidsweerstand van rubber. natuur. 2023;624(7991):303-308. doi: 10.1038/s41586-023-06782-2

Dit artikel is van onderaf opnieuw gepubliceerd Materiaal. Opmerking: het materiaal is mogelijk aangepast op lengte en inhoud. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met bovengenoemde bron.