纤维复合水凝胶，这“团结”比钢还强！

材料牛注：材料的复合远非简单的性能叠加，在材料的世界，质的飞跃不一定要有量的积累，让我们来体味一下纤维复合材料性能的质变之美。

水凝胶在小到伤口敷料大到软体机器人的几乎所有领域都具有潜在的应用价值，但是由于缺乏韧性，水凝胶的应用至今仍受到极大限制。北海道大学的一个研究团队合成了一种新的水凝胶复合材料，或称之为纤维增强软性复合材料。虽然这种材料仅仅是将水凝胶和纤维织物复合，但其强度却可以达到碳钢的五倍之多。

复合材料已有千年的历史，其原理也相当简单。一种非常软的东西可以通过复合变硬，就如在泥巴里加入稻草，再经过热处理工艺使其蜕变成强度很高的砖块。类似的应用还有在砖块中加入一些碎陶瓷，在陶瓷中加入一些贝壳碎片，在塑料中加入玻璃纤维等等。纤维增强水凝胶的合成与在塑料中加入玻璃纤维非常相似。水凝胶由亲水聚合物链组成，能吸收高达90%的水分。这种材料强度不高，也不耐用，但是加入一些玻璃微型纤维后，就变得强韧、可弯曲，弹性也非常好。

纤维增强水凝胶的SEM图片

据研究人员介绍，这种复合水凝胶的强度相当高，或许是由于纤维与水凝胶之间以及水凝胶内部的动态离子键所致。用聚两性电解质凝胶和一根直径为10um的玻璃纤维做测试，根据材料断裂所需的外力大小进行判断，发现复合水凝胶的强韧性是玻璃纤维的25倍，水凝胶的100倍，而强度则是碳钢的5倍。

龚建平博士说：“纤维增强水凝胶含有40%的水分，是一种环境友好型材料。这种材料由于它可靠、耐用、弹性好，而具有广泛的潜在应用。除了在时尚界和制造业的应用外，它还可以用作承受强负荷张力的人工韧带和肌腱。”

该研究成果已发表在Advanced Function Materials上。

原文链接：Fiber-reinforced hydrogel is 5 times stronger than steel

参考文献：Energy-Dissipative Matrices Enable Synergistic Toughening in Fiber Reinforced Soft Composites

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，李一凡编译，薛文嘉审核，点我加入材料人编辑部。

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