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基于剪切变硬弹性体/Ecoflex柔性结构的断裂与损伤性能优化设计

增强增韧设计，裂纹扩展分析，剪切变硬结构

近年来，柔性结构和器件在智能可穿戴、软体机器人以及柔性电子等领域表现出广阔的应用前景。围绕着材料选取、结构设计和性能优化，研究人员开展了大量的工作，并取得了一定的成果。对于柔性器件的断裂破坏行为分析和增强增韧机制探索，一直是柔性结构的研究热点，也是柔性器件实际工程应用中所面临的关键问题。本文利用粘弹性剪切变硬弹性体和高韧性Ecoflex弹性体设计了一种新型复合结构，以实现柔性结构的增韧止裂与力学性能优化。首先，分别通过单轴拉伸实验和裂纹扩展实验对柔性复合结构的基本力学性能和断裂力学行为进行了实验研究和行为表征。结果表明，由于复合结构中两相材料之间力学性能的差异以及良好的界面粘接性能，剪切变硬弹性体/Ecoflex复合结构在裂纹扩展过程中呈现逐级失效的现象。相比于传统的单相结构，可有效限制裂纹扩展并提高结构的整体韧性。其次，对复合结构的疲劳特性开展实验测试，结果表明新型复合结构表现出更高的疲劳阈值，且两相复合结构设计可有效增加结构的耐久性。此外，通过对复合结构力学性能和裂纹扩展规律的分析，发现由于剪切变硬弹性体独特的粘弹性效应，复合结构表现出明显的应变率相关特性，可以满足不同变形速率下的力学行为调控需求。本文的研究工作表明，新型柔性复合结构的设计可在实现柔性器件性能调控的基础上，进一步优化材料的增强增韧特性和抗疲劳能力，未来有望为新型智能柔性复合材料的应用和性能调控提供新的设计理念。