粘弹性靶层裂纹路径工程：提升多层橡胶复合材料损伤容限的创新策略

《Materials & Design》：Crack path engineering using viscoelastic target layers for enhanced damage tolerance in multilayer rubber composites

本研究聚焦于解决多层粘弹性复合材料中界面开裂易导致灾难性失效这一工程难题。研究人员通过系统设计硬度相同但断裂阻力（Gc）和能量释放率（G）比值不同的三种靶层橡胶化合物，提出了一种创新的“裂纹路径工程”策略。研究发现，通过调控靶层的Gc/G比值，可以有效引导不稳定界面裂纹偏转至靶层内部，将灾难性的界面分层转化为稳定的内聚损伤，从而显著提升材料的损伤容限。该研究建立的两级预测准则（Gtarget/Gply与Gc,target/Gc,ply）为预测和控制多层复合材料中的裂纹路径提供了实用框架，并在全尺寸摩托车轮胎的高速和耐久性测试中验证了该方法的工程相关性与可扩展性。这为设计高安全性轮胎等弹性体复合材料提供了新的设计思路。

　　

在工程材料领域，如何防止关键结构突然失效是一个永恒的话题。多层复合材料，例如构成现代轮胎的橡胶-帘线结构，因其轻质高强的特性被广泛应用。然而，这类材料的一个致命弱点是层与层之间的界面。在反复的应力作用下，微小的裂纹很容易在界面处萌生并扩展，最终导致材料像剥洋葱一样层层分离，引发灾难性的结构失效。传统的应对策略大多集中在如何“加固”界面，例如使用更强的粘合剂或优化粘接工艺，但这往往治标不治本。有没有一种方法，不是去阻止裂纹产生，而是主动“引导”裂纹，让它走向一条危害较小的道路呢？这正是受自然界启发的“裂纹路径工程”的核心思想。例如，乌龟的龟壳就能通过界面处的摩擦分离耗散能量，防止裂纹延伸到脆性的骨骼层。将这一智慧应用于工程材料，便是主动设计材料的内部结构，引导裂纹沿着预设的、能够稳定耗散能量的路径扩展，从而化“危”为“机”。

发表在《Materials》上的这项研究，正是这一前沿思想在橡胶复合材料中的精彩实践。为了回答如何主动控制多层橡胶复合材料中的裂纹路径以提升其损伤容限这一核心问题，研究人员开展了一项从分子配方设计到全尺寸产品验证的系统性研究。他们得出了一个关键结论：通过精确设计一层被称为“靶层”的橡胶化合物的粘弹性性质（特别是其断裂韧性Gc与能量释放率G的比值），可以有效地将原本危险的不稳定界面裂纹“诱骗”到靶层内部，使其转变为缓慢、稳定的内聚损伤，从而避免突如其来的整体失效。这一策略不仅概念新颖，而且建立了一个基于G和Gc比值的两级预测模型，为工程设计和材料筛选提供了强有力的理论工具。

为了开展这项研究，作者团队主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们通过橡胶配方设计，制备了三种硬度相近但粘弹性耗散和断裂韧性（Gc）迥异的靶层橡胶化合物，分别命名为弱（Weak）、半强（Semi-Strong）和强（Strong）化合物。其次，利用剥离试验（遵循ISO 36标准）在双层复合材料模型中直观追踪和定量分析裂纹的扩展路径。第三，采用裤子撕裂试验来精确测量各化合物的临界撕裂能（Gc），作为材料断裂阻力的关键指标。第四，通过橡胶加工分析仪和循环拉伸试验，系统表征了各化合物的线性与非线粘弹性（如Payne效应和滞后损耗）。最后，将优化的靶层配方应用于全尺寸摩托车轮胎，并按照BS ISO 10231:2022标准进行了高速和耐久性台架试验，以验证实验室尺度发现的工程可扩展性。

3.1. 机械行为与裂纹驱动力

研究人员首先通过单轴拉伸试验评估了靶层化合物及帘线层基体（Ply Matrix）的力学性能。应力-应变曲线显示，弱化合物具有最高的100%定伸应力和最低的断裂伸长率，表明其刚度最大，因而在破坏前能储存更高的应变能，这对应于更强的裂纹扩展驱动力（G）。半强和强化合物则表现出更高的强度和延伸性。通过比较100%应变下的模量，研究人员量化了各层相对的裂纹驱动力潜力，为后续的裂纹路径预测奠定了基础。

3.2. 粘弹性特性与抗裂纹扩展能力

抗裂纹扩展能力（Gc）与材料的粘弹性耗散密切相关。橡胶加工分析仪（RPA）的应变扫描结果显示，强化合物因含有最高份数的炭黑填料而表现出最显著的Payne效应（即非线性粘弹性），意味着其在高应变下具有更强的能量耗散能力。循环拉伸测得的归一化滞后损耗也证实了能量耗散强度遵循 弱 < 半强 < 强 的顺序。关键的裤子撕裂试验直接测量了各化合物的临界撕裂能（Gc）。结果发现，强和半强化合物的Gc值远高于弱化合物和帘线层基体。当使用100%应变模量作为G的近似估计时，计算出的Gc/G比值清晰地表明，弱化合物具有最低的比值（约1 J/m²），意味着裂纹最容易向其内部扩展。

3.3. 追踪双层复合材料中的裂纹路径

为了验证理论预测，研究人员对由不同靶层与帘线层基体组成的双层复合材料进行了剥离试验。裂纹扩展路径的视觉分析和图像处理得出了明确结论：在弱复合材料中，裂纹完全偏转到靶层内部，发生内聚破坏；在半强复合材料中，裂纹主要沿着帘线层基体扩展，导致帘线裸露；而在强复合材料的标准“单帘线层”几何中，界面结合过于牢固，裂纹无法稳定扩展，而是导致靶层自身断裂。当增加一个帘线层增强靶层（“双帘线层”几何）以提供足够的驱动力时，强复合材料中的裂纹得以在界面附近传播，但路径非常贴近界面。X射线荧光光谱（XRF）对硅元素的分析，从微观层面进一步证实了不同复合材料中裂纹路径的差异。

3.4. 将裂纹路径工程应用于摩托车轮胎

研究的最终阶段是将实验室发现推向工程实践。研究人员用三种靶层化合物制造了全尺寸摩托车轮胎胎面，并进行了胎面-带束层剥离测试。结果与双层模型高度一致：弱配方轮胎的裂纹在胎面内部扩展，表现出最低的剥离强度；强配方轮胎的裂纹则倾向于垂直偏离界面，需要更高的剥离力；半强配方轮胎则表现出混合失效模式。随后进行的高速性能和耐久性台架试验（遵循ISO 10231）揭示了不同的失效模式：弱轮胎主要出现胎面表面碎屑和裂纹，强和半强轮胎则出现了胎面鼓泡（界面分离的迹象）。重要的是，试验后的剥离强度测试显示，弱配方轮胎的界面强度下降最小，而半强和强配方轮胎因界面损伤和热积累导致剥离强度大幅下降，证明了将裂纹引导至胎面内部对于维持界面完整性的优势。

3.5. 讨论与结论

基于所有实验观察，研究人员提出了一个用于预测裂纹路径的两级准则。第一级由裂纹驱动力之比（G_target/G_ply）决定，在应变控制的剥离试验中，这可近似为各层模量之比。当此比值大于1时，裂纹倾向于偏转向靶层。当比值约等于1时，则启动第二级准则，由断裂阻力之比（Gc_,target/Gc_,ply）决定，裂纹会选择阻力更小的路径扩展。实验数据完美支持了这一框架：弱复合材料的G_target/G_ply> 1，裂纹偏转入靶层；半强复合材料的G_target/G_ply≈ 1，但其Gc_,target/Gc_,ply高达4.42，使得帘线层基体成为更易扩展的路径；强复合材料则因靶层模量低、断裂韧性高，迫使裂纹在界面或帘线层一侧扩展。

这项研究的意义在于，它成功地建立了一个连接材料基本属性（粘弹性、模量、断裂韧性）与宏观失效行为的预测框架，实现了对多层粘弹性复合材料中裂纹路径的“主动工程”。与传统的强化界面思路不同，该策略通过巧妙设计体相材料的性质，将灾难性的界面脱粘转化为可控的内聚损伤，显著提升了结构的损伤容限和安全冗余。尽管这种策略可能会在耐磨性等性能上做出权衡，但它为轮胎等关键安全部件的设计提供了一条全新的、可预测的路径。研究也证明，简单的双层模型试验可以作为全尺寸产品开发前有效的材料筛选工具，大大提高了研发效率。这项工作不仅对橡胶工业具有直接的工程价值，其蕴含的“引导而非阻止”的仿生设计哲学，也为其他多层复合材料系统的抗损伤设计提供了重要启示。