提高轮胎橡胶耐用性关键的“速度跳跃”机制 ——展示韧性橡胶材料开发的指导性原理

日本御茶水大学特任助教作道直幸和教授奥村刚就“速度跳跃”问题,通过构建不损害质量的简化数学模型,成功阐明了韧性橡胶材料开发的指导性原理。解决了60年来一直未能阐明的“速度跳跃”机制的问题。这一研究成果,于2017年8月14日,在英国《科学报告》杂志上发表。

“速度跳跃”是橡胶产生破裂的进展速度从秒速不满1毫米的低速,急剧转变到秒速1米以上快速的现象。近年来,这一现象引起了人们的广泛关注。以往的研究表明,通过避免“速度跳跃”现象的发生,可以提高橡胶的耐久性和耐磨性。虽然“速度跳跃”现象在60年前就已经被发现,但其发生的机制却未被判明。如果能阐明这种现象的机制,就可以不必通过反复试验,而得到超越现有技术界限的橡胶材料。因此,阐明“速度跳跃”机制无论对于基础研究还是应用研究都至关重要。

图1 橡胶“速度跳跃”现象实验

图1 橡胶“速度跳跃”现象实验 出处/新闻稿

日本御茶水大学的作道特任助教和奥村教授设计了新的数学模型,用数学方式处理橡胶的裂纹扩展问题。具体来说,在数值模拟中使用了晶格模式。在晶格模式中,针对裂纹扩展问题进行单纯化和专用化,并导入橡胶理论中标准的线性粘弹性理论。通过数学方式解答数学模型,再现了橡胶的“速度跳跃”。揭开了60年前已有的“速度跳跃”机制的谜。

图2 本研究数例模式的概要

图2 本研究数例模式的概要 出处/新闻稿

本研究成果来自于“超薄膜・强韧化柔软坚韧聚合物的实现”开发研究项目。该项目作为日本内阁府革命性研究开发推进项目ImPACT的一环,由伊藤耕三负责、奥村刚教授承担。在该项目中,除橡胶外还对各种聚合物材料的裂纹扩展进行了研究,并致力于进一步探索与本研究不同类型的裂纹扩展的实验。另外,各种物质详细差异的数值模拟的研究也正在进行。

本次研究的成果在普通的裂纹扩展中能得到多大的应用,是今后研究的主要课题。将来,通过对耐用性指标作明确的研究,期待可以尽可能地减少重复试验的次数,开发出耐用的材料 。例如橡胶,汽车轮胎在保持原来足够耐久性的同时而做得更薄,这样来实现减轻重量减少油耗的目的。再例如凝胶,可以用于制作隐形眼镜等。作为医疗或再生医疗材料具有重要应用价值。更进一步,如果使塑料变得足够坚韧近而可替代金属,我们可以通过用塑料制成汽车和飞机的外壳来减轻重量,实现低燃料消耗和节省资源的目的。

文/客观日本编辑部

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