聚合物网络本征断裂机制新解：失效区与弹性释放区的定量表征

本研究针对聚合物网络本征断裂能量(Γ0=Γf+Γe)中失效区(Γf)与弹性释放区(Γe)量化难题，通过聚丙烯酰胺水凝胶纯剪切实验，首次实现两区域能量贡献的定量分离。团队提出改进的环状张开模型(loop-opening model)，阐明网络缺陷对断裂能量的影响，为设计高韧性聚合物材料提供理论依据。

　　

聚合物断裂机制的突破性认知
当橡皮筋突然断裂时，背后隐藏着复杂的能量耗散机制。传统理论认为聚合物网络的断裂仅需克服化学键断裂能，但实际测量值往往高出理论预测数个数量级。这个被称为"Lake-Thomas悖论"的现象困扰了材料科学家半个多世纪。近年研究发现，断裂过程中不仅涉及断裂路径上的链断裂(Γ_f)，周围网络的弹性回弹(Γ_e)同样贡献能量，但两者如何定量分离始终是未解之谜。

西安交通大学的研究团队在《Extreme Mechanics Letters》发表的研究中，创新性地将断裂过程划分为失效区（链断裂区域）和弹性释放区（能量回弹区域）。通过精确控制聚丙烯酰胺水凝胶试样的高度（H），团队发现表观断裂能量随H增加而上升，最终趋于稳定值Γ₀。这种高度依赖性揭示了弹性释放区的真实尺寸受限现象，为量化Γ_f与Γ_e提供了实验窗口。

关键技术方法
研究采用纯剪切测试（pure shear test）系统测量不同高度试样的断裂能量，结合改良的环状张开模型（loop-opening model）进行理论分析。该模型引入网络缺陷参数，通过拟合实验数据获得Γ_f和Γ_e的定量关系。

研究结果
实验方法
设计高度从5mm到50mm的纯剪切试样，通过视频引伸计监测裂纹扩展过程，确保测量精度达0.1mm。

实验结果
当试样高度小于临界值（约20mm）时，表观断裂能量与高度呈线性关系；超过该值后能量趋于稳定。通过线性外推法首次获得Γ_f=2.1J/m²和Γ_e=8.7J/m²。

改进模型
新模型考虑网络拓扑缺陷，将本征断裂能量表达为Γ₀=nU₀+kU_e，其中n为失效区链密度，k为弹性释放区有效链段数，与实验数据吻合度达95%。

讨论与结论
该研究首次实验证实弹性释放区对总断裂能量的贡献可达80%，揭示了不同测试方法产生数据差异的根源。提出的失效区尺寸测定方法（约3-5个链节长度）为材料设计提供新标准。这项突破不仅解决了长期存在的理论争议，更为开发新型抗断裂材料指明方向——通过调控网络交联度(f)和缺陷分布，可精准优化材料的Γ_f/Γ_e比例，实现性能定制化设计。