具有永久与瞬态交联的双交联凝胶的断裂

我们在单边缘缺口几何构型下，对由聚乙烯醇链与戊二醛化学交联、与硼离子物理交联构成的双交联水凝胶，进行了一系列拉伸速率下的系统断裂实验。如果按常规方法计算裂纹扩展所需的能量释放率，即利用将样品变形至裂纹扩展的临界拉伸值 $\lambda_c$ 所做的功，我们发现断裂能 $\Gamma$ 在 $\lambda\sim 0.001 s^{-1}$ 附近达到峰值，随后随拉伸速率增加急剧下降，这与裂纹速度的观测结果矛盾。结合模拟与实验观察，我们在此提出一种通用方法，将裂纹扩展前加载过程中耗散的能量与裂纹扩展过程中耗散的能量分离开来。对于快速加载速率（其特征应变速率仅略低于物理键典型断裂时间的倒数），这种改进方法用于估算裂纹扩展起始时的局部能量释放率 $g_{local}$，给出的局部断裂能 $\Gamma_{local}$ 为常量，与实验测得的恒定裂纹扩展速度一致。利用该改进方法，我们还得到一个非常有趣的结果：双交联凝胶在低加载速率下的断裂能远高于高加载速率下的值，这与经典化学交联弹性网络的情况相反。