Обычные 3D-печатные эластомеры часто оказываются слишком хрупкими. Деталь может треснуть уже при снятии с платформы, а в реальной работе — быстро устать от постоянных нагрузок или внезапно порваться от сильного растяжения. Особенно остро эта проблема стоит в мягкой робототехнике, носимой электронике и медицинских устройствах.
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) предложили решение. Они создали двойные сетевые гранулированные эластомеры — DNGEs. Материал сочетает высокую прочность на разрыв и устойчивость к усталостным повреждениям, что раньше считалось почти взаимоисключающим.
Как устроен новый материал
DNGE представляет собой мягкую эластомерную матрицу, в которую встроены более жёсткие эластомерные частицы. При растяжении нагрузка перераспределяется: жёсткие частицы принимают часть напряжения, а мягкая сеть между ними многократно рассеивает энергию за счёт перестройки полимерных цепей. Благодаря этому связи рвутся гораздо реже.
Трещины, если они всё же появляются, вынуждены идти по извилистому пути через мягкие области, а не распространяться по прямой. В результате материал выдерживает и однократные сильные удары, и длительные циклические нагрузки.
По данным авторов работы — Евы Баур (Eva Baur), Джона Колински (John Kolinski) и Эстер Амштад (Esther Amstad) — вязкость разрушения DNGEs достигает значений в 15 раз выше, чем у сопоставимых эластомеров. Сопротивление усталости выше примерно в три раза.
«По сути, две разные сети — одна из гранулированных частиц, другая мягкая — делят между собой механическую нагрузку и делают материал в целом прочнее», — объясняет руководитель лаборатории мягких материалов Эстер Амштад.
Где это пригодится
Учёные ожидают, что новый материал откроет возможности в мягкой робототехнике, носимых устройствах и биомедицине. Там, где сейчас приходится выбирать между жёсткостью, прочностью и долговечностью, DNGEs позволяют получить более сбалансированные свойства. Это должно увеличить срок службы изделий и снизить затраты.
В будущем команда хочет сделать материал ещё экологичнее — использовать биоразлагаемые компоненты и вторичное сырьё, не жертвуя механикой. Цель — чтобы такие эластомеры могли печатать в любой лаборатории на обычном коммерческом 3D-принтере.
Работа опубликована в журнале Science Advances. Она показывает, что даже в уже хорошо изученной области эластомеров можно найти решения, которые заметно расширяют возможности 3D-печати мягких и долговечных деталей.
