2026年7月14日，洛桑联邦理工学院 (EPFL)的研究人员开发了一种新型 3D 打印弹性体，它兼具高抗断裂性和高抗疲劳性，解决了限制机器人、可穿戴电子产品和生物医学设备中使用的软材料性能的权衡问题。这项研究由软材料实验室牵头，相关成果以题为“Fatigue-resistantand tough double network granular elastomers”的论文发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。
研究发现，性能最佳的双网络颗粒弹性体（DNGE）材料的断裂韧性比相同化学成分的传统单网络和块状双网络弹性体高出 15 倍，抗疲劳性高出 3 倍。
△DNGE、DN 和 SN
系统的示意图。（A）DNGE的制备：将第一网络的前体乳化并交联成微粒。将微粒在第二网络的前体溶液中溶胀，然后装入可注射墨水中进行3D打印。将所得颗粒结构暴露于紫外光下使其硬化，从而引发第二弹性体网络的形成，网络相互渗透并以共价键交联微粒。（B）DN的制备：形成第一网络，并在第二网络的前体溶液中溶胀。将样品暴露于紫外光下，形成与第一网络相互渗透的第二弹性体网络。（C）液态前体的化学结构：单体和交联剂。（D）通过浇铸前体并进行紫外光固化来制备SN弹性体。
DNGE 由坚硬的弹性体微粒通过较软的第二聚合物网络连接而成，这种结构最初是研究人员为了使材料能够作为 3D 打印墨水挤出而设计的，并且具有精细可控的机械性能。研究团队发现，同样的结构还能让材料反复耗散机械能而不会积累永久性损伤。研究指出，这种组合很罕见，因为抗断裂的弹性体通常会在反复应力下退化，而抗疲劳的弹性体则往往会在过度拉伸下断裂。洛桑联邦理工学院软材料实验室负责人阿姆施塔德说：“最初，我们的重点是提高加工性能，但一旦我们获得了颗粒结构，我们就发现这些材料也非常坚韧。后来我们意识到，这种韧性很大程度上来自于重复的能量耗散机制——这种材料可以反复吸收能量而不会发生不可逆转的断裂。”
颗粒结构如何重新分配应力
当拉伸时，DNGE 将机械应变从较硬的微粒传递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，而不是发生不可逆的断裂。Amstad解释道：“本质上，这两种不同的网络——一种由颗粒状弹性体颗粒构成，另一种由软弹性体构成——彼此之间共享机械应变，从而增强了材料的整体强度。”研究表明，颗粒状结构还迫使裂纹在较软的间隙区域中沿蜿蜒路径扩展，而不是直线扩展，从而减缓裂纹的扩展速度并延缓失效的发生。
△DNGE 的多材料 3D
打印。（A）打印DNGE复合材料的示意图，复合材料由硬质纤维构成，硬质纤维中嵌入了由软质微粒（1.5mol%
BDA）组成的基体，基体中含有硬质微粒（5 mol%
BDA）；以及由DNGE构成的核壳结构，核中含有软质微粒，壳中含有硬质微粒。（B和C）纤维基复合材料中（B）软质DNGE组分和（C）核壳结构中（C）硬质DNGE的3D打印过程照片。（D和E）由软质微粒（浅绿色）、硬质微粒（深绿色）以及复合材料（浅灰色，软基体/硬质纤维；深灰色，软核/硬壳）制成的DNGE的力学性能：（D）杨氏模量和断裂韧性；（E）疲劳阈值。
研究人员利用这款材料的可打印性，3D打印出局部成分变化的复合材料，包括纤维增强结构和受贻贝足丝启发而设计的核壳结构，将刚度与通常只在较软的配方中才有的韧性和抗疲劳性相结合。这些墨水通过商用3D打印机挤出成型。研究团队目前正致力于利用可生物降解和可回收材料配制弹性体。阿姆斯塔德说：“我们的目标是在不影响力学性能的前提下，采用更可持续的材料。通过扩大我们可使用的材料范围，我们不仅可以减少DNGE对环境的影响，还可以让任何拥有商用3D打印机的实验室更广泛地使用它们。”
来源：南极熊
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