Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han aumentado el umbral de fatiga del caucho reforzado con partículas, desarrollando un nuevo enfoque multiescala que permite que el material soporte altas cargas y resista el crecimiento de grietas durante el uso repetido. Este enfoque no sólo podría aumentar la longevidad de los productos de caucho, como los neumáticos, sino también reducir la cantidad de contaminación causada por las partículas de caucho que se desprenden durante su uso.
La investigación se publica en Nature .
El látex de caucho natural es suave y elástico. Para una variedad de aplicaciones, incluidos neumáticos, mangueras y amortiguadores, los cauchos están reforzados con partículas rígidas, como negro de humo y sílice. Desde su introducción, estas partículas mejoran enormemente la rigidez de los cauchos, pero no su resistencia al crecimiento de grietas cuando el material se estira cíclicamente, una medida conocida como umbral de fatiga.
De hecho, el umbral de fatiga de los cauchos reforzados con partículas no ha mejorado mucho desde que se midió por primera vez en la década de 1950. Esto significa que incluso con las mejoras en los neumáticos que aumentan la resistencia al desgaste y reducen el consumo de combustible, las pequeñas grietas pueden arrojar grandes cantidades de partículas de caucho al medio ambiente, lo que causa contaminación del aire para los humanos y se acumula en arroyos y ríos.
En investigaciones anteriores, un equipo dirigido por Zhigang Suo, profesor de Mecánica y Materiales Allen E. y Marilyn M. Puckett en SEAS, aumentó notablemente el umbral de fatiga de los cauchos al alargar las cadenas de polímeros y densificar los entrelazamientos. Pero ¿qué pasa con los cauchos reforzados con partículas?
El equipo añadió partículas de sílice a su caucho altamente enredado, pensando que las partículas aumentarían la rigidez pero no afectarían el umbral de fatiga, como se informa comúnmente en la literatura. Se equivocaron.
"Fue una gran sorpresa", dijo Jason Steck, ex estudiante de posgrado de SEAS y coprimer autor del artículo. "No esperábamos que la adición de partículas aumentara el umbral de fatiga, pero descubrimos que aumentaba en un factor de 10".
Steck es ahora ingeniero de investigación en GE Aerospace.
En el material del equipo de Harvard, las cadenas de polímeros son largas y muy entrelazadas, mientras que las partículas están agrupadas y unidas covalentemente a las cadenas de polímeros.
"Resulta que", dijo Junsoo Kim, ex estudiante de posgrado de SEAS y coautor del artículo, "este material desconcentra la tensión alrededor de una grieta en dos escalas de longitud:la escala de cadenas de polímeros y la escala de partículas". . Esta combinación detiene el crecimiento de una grieta en el material."
Kim es ahora profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad Northwestern.
El equipo demostró su enfoque cortando una grieta en una pieza de su material y luego estirándola decenas de miles de veces. En sus experimentos, la grieta nunca creció.
"Nuestro enfoque de desconcentración de tensiones multiescala amplía el espacio de las propiedades de los materiales, abriendo puertas para reducir la contaminación de polímeros y construir máquinas blandas de alto rendimiento", afirmó Suo, autor principal del estudio.
"Los enfoques tradicionales para diseñar nuevos materiales elastoméricos pasaron por alto estos conocimientos críticos del uso de la desconcentración de tensiones multiescala para lograr materiales elastoméricos de alto rendimiento para amplios usos industriales", dijo Yakov Kutsovsky, experto residente en la Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard y coautor de el papel.
"Los principios de diseño desarrollados y demostrados en este trabajo podrían aplicarse en una amplia gama de industrias, incluidas aplicaciones de gran volumen como neumáticos y productos de caucho industriales, así como aplicaciones emergentes como dispositivos portátiles".
Kutsovsky anteriormente se desempeñó como director científico y director de tecnología en Cabot Corporation durante 15 años.
La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización.
Más información: Jason Steck et al, La desconcentración de tensiones multiescala amplifica la resistencia a la fatiga del caucho, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06782-2
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
