工程师们展示微小的液体滴可以使固体变得更加坚硬

点击次数:35   更新时间:2018-05-16   【关闭

来自耶鲁大学的工程师通过使用非常小的嵌入式液滴来加强固体材料。 / em

耶鲁大学的工程师已经发现嵌入固体中的液滴的硬度与Goldilocks有一些共同之处:虽然大滴液体比围绕它们的固体柔软,但极小的液滴实际上可能比某些固体更硬。但是当它们“恰到好处”时,液滴具有与周围固体完全相同的硬度。

关键是液体具有尽可能小的表面的趋势 - 一种称为“表面张力”的收缩力,例如,允许一杯水稍微溢出而不溢出。

“通常情况下,用液体替换固体部分只会使材料变弱,”机械工程和材料科学副教授Eric Dufresne说,该研究的主要研究人员于12月15日在Nature Physics出版。 “但是当嵌入的液滴非常小时,表面张力使它们变得如此坚硬以至于它们实际上可以使固体更坚固。”

Dufresne的团队通过将小至1微米直径的液滴嵌入硅树脂中,展示了这种直观的效果。研究人员然后伸展硅胶,导致液体也伸展。

当硅胶中的液体滴落足够大时,它们容易变形并使材料变弱。然而,非常小的液滴抵抗变形并加强了周围的材料。据研究人员称,当许多微小的液滴嵌入硅胶中时,所得到的材料比纯硅胶的强度高出30%。

“事实证明,表面张力的重要性与尺寸成反比,”耶鲁大学工程创新与设计中心主任杜夫雷斯纳说。 “所以对于大事来说,只是一个微不足道的力量,对于非常小的事物来说,这是一股强大的力量,而这又会对整体材料产生强烈的影响。”

Dufresne建议,这些结果为工程师提供了“一个新的旋钮”来控制复合材料的性能。例如,正好大小的液滴可以模拟周围固体的机械特性;这些“隐形”液滴可以提供额外的光学或电子功能,而不会牺牲机械性能。

这项研究的其他作者还包括耶鲁大学的罗伯特W.斯蒂尔,罗斯蒂斯拉夫波尔蒂尼斯基,本杰明艾伦,凯瑟琳E.詹森和约翰S.韦特劳弗以及北卡罗来纳大学教堂山分校的亨利P.福特。

出版物:Robert W. Style等人,“Stiffening solids with liquid inclusions”,Nature Physics(2014); DOI:10.1038 / nphys3181

PDF研究副本:用液体夹杂物固化固体

资料来源:耶鲁大学Rase McCray

图片:耶鲁大学