抗疲劳断裂水凝胶

水凝胶在器件与机器中的新兴应用要求这些软材料在循环机械载荷下保持稳健。尽管水凝胶已被制得强韧以抵抗单周期机械载荷下的断裂，这些增韧凝胶在多重载荷周期下仍遭受疲劳断裂。所报道的合成水凝胶疲劳阈值（即循环载荷下裂纹扩展发生的最小断裂能）处于 1-100 J/m2 量级，这主要关联于单位面积断裂单层聚合物链所需能量。在此，我们证明在水凝胶中受控引入结晶度可显著提升其疲劳阈值，因为疲劳裂纹扩展中使晶域断裂所需能量远高于断裂单层聚合物链。结晶度为 18.9 wt.% 的 swollen 态聚乙烯醇（PVA）的疲劳阈值可超过 1,000 J/m2。我们进一步开发一种策略，通过在水凝胶中图案化高结晶区域来增强 PVA 水凝胶的抗疲劳断裂性能，同时仍保持其高含水量与低模量。当前工作不仅揭示了水凝胶中的抗疲劳断裂机制，也提供了一种设计面向多样应用的抗疲劳断裂水凝胶的实用方法。