Nature：复合纤维制造工艺的里程碑——“Breaking Me Softly”

【引语】双手各握一把老虎钳，对拉紧的玻璃钢（玻璃纤维增强塑料复合材料）逐渐往开拉，结果会怎样呢？断成两截、无可避免的破坏性？？NO！中佛罗里达大学的学者进行了这样的实验，结果发现了意想不到、文献从来没有报道过的神奇结果——内部脆性纤维断裂成无数截，每一截尺寸相当，换句话说，芯材发生了有序断裂——这种技术被形象地称为“Breaking Me Softly"。

聚合物冷拔是一个常见的加工工艺，通过施加拉力，来减少拔出纤维的直径（或薄膜厚度）以及聚合物链的取向。冷拔很早就应用在工业生产领域，譬如聚酯、尼龙等高强度柔性纤维的生产。但是，关于复合材料结构的冷拔效应很少有人研究。

近日，中佛罗里达大学的学者对一种由聚合物外层包裹脆性芯材的复合纤维进行冷拔，发现了惊人的现象：纤维发生颈缩，但随后内部芯材的破坏并非无规混乱的，而是可控而连续的——沿纤维轴向形成一致且均匀尺寸的短棒（如图1f所示），这种具有复杂横向几何性的嵌入式、结构化复合线程形成周期性的短棒链，固定包裹在聚合物内部。学者表示，这种嵌入结构归因于颈缩传播引起的机械-几何不稳定性。内部短棒可通过选择性溶解聚合物外层得到，或者通过热修复自愈形成原脆性纤维线材。

图1：a)冷拔示意图，轴向力速度约5mm/s；
b-d)SEM照片显示纤维中传播临界区（shoulder propagation）横断面经历三个阶段：圆形、矩形、三角形
e）三个时间点 初始纤维、颈缩形成、肩处传播，留下断裂的芯部
f）颈缩区域放大显微照片，虚线部分与e）图中相对应，直角说明传播不稳定性，此处发生破坏
g,h）选择性溶解聚合物包层，获得完整玻璃芯材的原理图及SEM图片
i,j）经冷拔后，选择性溶解聚合物包层，获得纳米破坏、微米短棒芯材的原理图及SEM图片

对冷拔后所得材料，进行各项表征如图2，内部短棒直径长度有一定关系，并进行有限元模拟。

图2 冷拔材料测试表征结果，并进行有限元模拟分析应力分布(e)。

除了外柔内脆的复合纤维，这种效应同样适用于平面几何材料：冷拔会导致内嵌（或表面涂覆）的脆性薄膜形成窄、平行条状，与拉拔轴向一致。研究者试验了一系列的材料来验证这种冷拔效应的普适应，包括Si、Ge、金、玻璃、丝、PS、可生物降解聚合物等等。同样进行了非线性有限元分析，结果显示最小横断面规模与纵向分裂周期呈线性关系。

图3 对平面聚合物纤维内嵌脆性薄膜，进行冷拔破坏；d,e) 冷拔前(F)后(C)的实际(d)与模拟(e)所得的光透过情况；f-k)各部分微观区域图

图4 (f) 外部喷涂Au的聚合物薄膜，经冷拔：Au膜发生规则性破坏，沿冷拔轴向，Au膜宽度约为1.1um。且形成特殊的光学衍射效应。

研究者将这种技术形象地称为“Breaking Me Softly”。该研究表示，通过控制外载机械力可控制破坏形式，可进而影响材料的微观、宏观结构以及特定属性，甚至与外部能量的作用形式，如太阳光（获取能量）等。

千百年来，“工艺-结构-性质”一直是几乎所有材料学者求知的源头。尤其对于复杂材料体系来说，研究三者间的关系更为重要,而这项研究更是说了这一点。

Nature原文献链接：Controlled fragmentation of multimaterial fibres and films via polymer cold-drawing