瑞士研究團隊開發出可 3D 打印的耐衝擊及耐磨橡膠材料

瑞士洛桑聯邦理工學院的研究人員開發出一種可進行 3D 打印的橡膠，能夠抵抗突發衝擊及長期磨損。該材料解決了多年間限制可穿戴電子設備、柔性機器人及醫療設備中柔性元件的權衡問題。許多現有選項在某一特性上表現優異，而在另一特性上卻無法達標。標準的單網絡彈性體通常會以兩種方式失效。旨在抵抗單次斷裂事件的材料在重複壓力下通常會迅速劣化，而那些設計為抵抗長期磨損的材料則更容易在突發衝擊或極度拉伸下斷裂。

EPFL 團隊在軟材料實驗室負責人 Esther Amstad 的帶領下，著手建立一種能夠同時避免這兩種失效模式的材料。該團隊，包括研究員 Eva Baur 和 John Kolinski，創造了一種稱為雙網絡顆粒彈性體（DNGEs）的材料。這種材料將剛性彈性體顆粒嵌入較柔軟的連接彈性體網絡中，將機械負載分散到整個結構上。Amstad 表示，她的實驗室最初建立顆粒結構是為了改善 3D 打印的可加工性。

新材料的特性與機制

研究人員在過程中發現，最終的材料在重複壓力下也顯得異常堅韌。

根據 Amstad 的説法，這兩個網絡在拉伸時之間分享機械應變。剛性顆粒通過聚合物鏈的重組將壓力傳遞給周圍的柔性基質，而不是讓聚合物鍵完全斷裂。這一機制使材料能夠在不完全失效的情況下吸收重複的壓力循環，顯著延長其使用壽命。

在實驗室測試中，DNGEs 顯示出的斷裂韌性值比當前用於柔性設備的可比彈性體高出多達 15 倍。其疲勞抗性則比市面上現有材料高出三倍。Baur 和同事本月在《Science Advances》期刊上發表了完整的研究結果，詳細描述了該機制。顆粒結構還改變了裂縫在打印材料中的傳播方式。裂縫被迫在柔性網絡的較柔軟區域中迂迴，而不是沿著樣本的直線擴展。這一效果類似白蟻在樹幹中挖掘，而非斧頭劈出一條乾淨的路徑。

這種迂迴路徑顯著減緩了裂縫的增長，並幫助材料在負載下抵抗突發的災難性失效。

潛在應用與未來計劃

EPFL 先前於 2024 年使用 DNGEs 打印了一個配備剛性內部支撐及可按需彎曲的柔性外層的橡膠手指。該項目顯示，機械性能可以在單一打印物件中進行調整。這項新研究在此基礎上進一步證明，該材料在長期使用中也能抵抗重複的實際壓力，這是柔性驅動材料在柔性機器人領域所面臨的耐久性挑戰。

研究人員表示，DNGEs 可能為柔性機器人、可穿戴傳感器和生物醫療設備開闢新的機會。這些領域現有的柔性材料仍受到剛度、韌性和疲勞抗性之間的權衡限制，這也是近期設計人工肌肉時所面臨的挑戰。通過更堅韌的材料延長元件壽命，還可能降低為大規模生產柔性設備而產生的長期更換成本。Amstad 表示，她團隊的下一個目標是改善材料的環境足跡，而不削弱其機械性能。她希望開發出由回收材料製成的可生物降解版本的 DNGEs，這一變革將大大擴大其環保吸引力。

她指出，這一改變將使這些彈性體對配備標準商業 3D 打印機的實驗室更加可獲得。