Nature：復合纖維制造工藝的里程碑——“Breaking Me Softly”

【引語】雙手各握一把老虎鉗，對拉緊的玻璃鋼（玻璃纖維增強塑料復合材料）逐漸往開拉，結果會怎樣呢？斷成兩截、無可避免的破壞性？？NO！中佛羅里達大學的學者進行了這樣的實驗，結果發現了意想不到、文獻從來沒有報道過的神奇結果——內部脆性纖維斷裂成無數截，每一截尺寸相當，換句話說，芯材發生了有序斷裂——這種技術被形象地稱為“Breaking Me Softly"。

聚合物冷拔是一個常見的加工工藝，通過施加拉力，來減少拔出纖維的直徑（或薄膜厚度）以及聚合物鏈的取向。冷拔很早就應用在工業生產領域，譬如聚酯、尼龍等高強度柔性纖維的生產。但是，關于復合材料結構的冷拔效應很少有人研究。

近日，中佛羅里達大學的學者對一種由聚合物外層包裹脆性芯材的復合纖維進行冷拔，發現了驚人的現象：纖維發生頸縮，但隨后內部芯材的破壞并非無規混亂的，而是可控而連續的——沿纖維軸向形成一致且均勻尺寸的短棒（如圖1f所示），這種具有復雜橫向幾何性的嵌入式、結構化復合線程形成周期性的短棒鏈，固定包裹在聚合物內部。學者表示，這種嵌入結構歸因于頸縮傳播引起的機械-幾何不穩定性。內部短棒可通過選擇性溶解聚合物外層得到，或者通過熱修復自愈形成原脆性纖維線材。

圖1：a)冷拔示意圖，軸向力速度約5mm/s；
b-d)SEM照片顯示纖維中傳播臨界區（shoulder propagation）橫斷面經歷三個階段：圓形、矩形、三角形
e）三個時間點 初始纖維、頸縮形成、肩處傳播，留下斷裂的芯部
f）頸縮區域放大顯微照片，虛線部分與e）圖中相對應，直角說明傳播不穩定性，此處發生破壞
g,h）選擇性溶解聚合物包層，獲得完整玻璃芯材的原理圖及SEM圖片
i,j）經冷拔后，選擇性溶解聚合物包層，獲得納米破壞、微米短棒芯材的原理圖及SEM圖片

對冷拔后所得材料，進行各項表征如圖2，內部短棒直徑長度有一定關系，并進行有限元模擬。

圖2 冷拔材料測試表征結果，并進行有限元模擬分析應力分布(e)。

除了外柔內脆的復合纖維，這種效應同樣適用于平面幾何材料：冷拔會導致內嵌（或表面涂覆）的脆性薄膜形成窄、平行條狀，與拉拔軸向一致。研究者試驗了一系列的材料來驗證這種冷拔效應的普適應，包括Si、Ge、金、玻璃、絲、PS、可生物降解聚合物等等。同樣進行了非線性有限元分析，結果顯示最小橫斷面規模與縱向分裂周期呈線性關系。

圖3 對平面聚合物纖維內嵌脆性薄膜，進行冷拔破壞；d,e) 冷拔前(F)后(C)的實際(d)與模擬(e)所得的光透過情況；f-k)各部分微觀區域圖

圖4 (f) 外部噴涂Au的聚合物薄膜，經冷拔：Au膜發生規則性破壞，沿冷拔軸向，Au膜寬度約為1.1um。且形成特殊的光學衍射效應。

研究者將這種技術形象地稱為“Breaking Me Softly”。該研究表示，通過控制外載機械力可控制破壞形式，可進而影響材料的微觀、宏觀結構以及特定屬性，甚至與外部能量的作用形式，如太陽光（獲取能量）等。

千百年來，“工藝-結構-性質”一直是幾乎所有材料學者求知的源頭。尤其對于復雜材料體系來說，研究三者間的關系更為重要,而這項研究更是說了這一點。

Nature原文獻鏈接：Controlled fragmentation of multimaterial fibres and films via polymer cold-drawing