哈佛大学锁志刚教授最新综述：从分子到宏观，如何“设计”材料的抗裂性？

2025年12月15日，材料断裂力学领域迎来一篇重量级综述。哈佛大学锁志刚教授团队在顶级期刊《Chemical Reviews》上发表了题为“Thermodynamic and Molecular Origins of Crack Resistance in Polymer Networks”的综述论文，其作者为陈哲琪博士、锁志刚教授。该论文系统性地为高分子材料的“抗裂性”研究构建了从热力学框架到分子设计原理的清晰图谱。

这篇论文不仅是一份学术总结，更是一份面向未来的抗撕裂、抗疲劳高分子材料“设计指南”。它明确指出，理解并提升橡胶、凝胶等聚合物网络的抗裂能力，关键在于把握两个核心物理量：能量释放率（Energy release rate, G）与断裂内聚长度（Fractocohesive length）。

驱动力与阻力：

能量释放率（G）定义了“战斗”的级别

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论文深刻阐释了“能量释放率G”作为裂纹扩展根本驱动力的角色。它就像作用在裂纹尖端的“广义力”，决定了裂纹是否扩展、以及扩展的倾向有多强。材料抵抗裂纹扩展的能力，则对应一个临界值——断裂韧性G_c 。

研究进一步区分了三种典型的载荷场景：

单调加载：一次撕裂，对应材料的极限韧性G_c 。
循环加载：往复疲劳，对应更低的“疲劳门槛值G_th ”，决定了材料在长期动态载荷下的寿命。
静态加载：长期持载，研究蠕变开裂行为。

能量释放率的加载模式

这为工程实践中不同的失效模式（突然断裂、疲劳破坏、应力松弛开裂）提供了统一的分析框架。一个核心问题随之而来：对于您正在研发或应用的具体材料，它的G_c 和G_th 究竟是多少？

缺陷敏感性的标尺：

断裂内聚长度决定了“战场”的大小

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论文提出的fractocohesive length“断裂内聚长度”（= G_c / W_c，W_c为单位体积断裂功），是一个极具洞察力的概念。它实质上刻画了材料内部抵抗断裂的“过程区”大小。

如果材料内部的缺陷（如气泡、杂质）尺寸远小于这个长度，则该缺陷对整体强度影响甚微。
反之，材料则对缺陷非常敏感。

材料的缺陷敏感性

这个概念将微观的分子损伤机制与宏观的断裂强度直接联系起来，为通过分子设计（如调整网络结构、引入能量耗散机制）来调控材料对缺陷的容忍度指明了方向。那么，如何测量并获取这个关键的材料本征长度参数？

从设计指南到工程数据：

测量的桥梁

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锁志刚教授团队的工作，为材料科学家描绘了壮丽的蓝图。而将其转化为工程师可用的设计数据，则需要精准可靠的实验测量作为桥梁。

在E-rubber易瑞博科技，我们长期专注于橡胶及复合材料断裂与疲劳行为的工程化测试与量化分析。我们的工作，正是致力于搭建这座从学术理论到工业应用的桥梁。

量化“韧性”与“疲劳门槛值”

我们提供的 “最大撕裂能测试” ，直接对应理论中的材料能量释放率测量。通过该测试，可明确材料抵抗裂纹起裂与扩展的本征能力。这不仅是材料筛选的关键指标，更是后续一切疲劳寿命预测的基准数据。

变速处理后最大撕裂能测试演示

解析循环载荷下的裂纹扩展行为

针对文中重点讨论的疲劳裂纹问题，我们提供 “全松弛疲劳裂纹扩展测试” ，此测试可精确获得材料的裂纹扩展速率（da/dN）与撕裂能的关系曲线，并识别出疲劳门槛值 G_th。对于以天然橡胶为代表的具有应变结晶（SIC，strain-induced cystallization）效应的高分子材料，我们提供”非全松弛疲劳裂纹扩展测试“，测试结果可以帮助工程师理解和表征材料的应变结晶效应对疲劳裂纹扩展的阻碍作用，对于比较和优化材料的配方具有重要意义。

变速处理后疲劳裂纹扩展测试演示及裂纹形貌图

为仿真提供真实世界的数据输入

理论中的“断裂内聚长度”概念，可用于研究橡胶复合材料的损伤准则、评估材料的缺陷敏感程度。在E-rubber试验室，我们通过测试数据，为客户拟合疲劳特性参数（如Lake-Lindley模型, Thomas模型参数），并标定材料的本征微裂纹尺寸，这些参数可用于橡胶材料和产品的疲劳寿命预测和损伤累积仿真分析，是橡胶疲劳仿真分析软件（如Endurica, Fe-safe/rubber等）所必需的输入参数。

Endurica所倡导的“基于断裂力学的疲劳寿命预测”方法，其根基便源于此套严谨的热力学与力学分析框架。E-rubber长期专注与橡胶及复合材料非线性力学与疲劳性能测试和表征，目标正是为了帮助客户获取这些关键的材料特性参数，将前沿的“设计指南”转化为可输入仿真软件、可指导配方优化、可预测产品寿命的量化工程数据。

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