研究人员解释了血小板-基质复合材料的力学

分类栏目:科技支持

点击:7

像上图那样的硬片状软基复合材料的雷达图表显示,改变每个输入值会如何改变材料的强度,应变,韧性和刚度。在此图中,垂直数字表示沿强度轴的值。点击图像查看大图。致谢多尺度材料实验室

在设计模仿自然界中发现的层状复合材料时,材料如何破碎可能是最重要的属性。 Rice大学工程师的一种方法解释了材料和它们形成的结构之间的相互作用,并且可以帮助最大化它们的强度,韧性,刚度和断裂应变。

在一项需要超过400次计算机模拟像珍珠贝母这样的血小板基质复合材料的研究中,赖斯材料科学家Rouzbeh Shahsavari和来访的学者Shafee Farzanian开发了一张设计图,以帮助合成交错复合材料, ,从微电子到汽车到太空船,轻量级多功能结构复合材料是关键。

该模型整合了各种血小板和基质成分的几何形状和特性,以计算复合材料的强度,韧性,刚度和断裂应变。当用户寻找最佳psi时,更改任何架构或组成参数都会调整整个模型,这是量化其避免灾难性故障的能力。

这项研究发表在“固体力学与物理杂志”上。

天然复合材料很常见。例子包括珍珠母(珍珠母),牙釉质,竹子和螳螂虾的鞭毛球杆,所有这些都是由软质基质材料连接的硬片的纳米级排列,并且排列成重叠的砖和泥砾或其他架构。

他们的工作原理是,坚硬的部件足够坚固,足以承受跳动并具有足够的柔性(由于软矩阵),从而在整个材料中分配应力。当它们断裂时,它们通常能够分配或限制损坏而不会完全失败。

“轻质天然材料很丰富,”Shahsavari说。 “在这些类型的材料中,发生两种韧化。一种是在裂纹扩展之前,当血小板相互滑动以缓解压力时。另一个是这些材料美的一部分:它们在裂纹扩展后变硬的方式。

“即使出现裂痕,也并不意味着失败,”他说。 “裂缝可能会在层之间被阻止或偏转数次。不是直接穿过材料到达表面,这是一个灾难性的失败,而是裂纹进入另一层,形成另一个复杂模式,延迟或完全防止失败。这是因为与直裂纹相比,漫长而复杂的裂纹轨迹需要更多的能量来驱动它。“

科学家和工程师多年来一直致力于复制天然材料的轻质,坚韧,坚硬和坚硬的特性,无论是硬质和软质组分还是不同血小板类型的组合。

对于工程师而言,刚度,韧性和强度是截然不同的特征。强度是材料在拉伸或压缩时保持在一起的能力。刚度是材料抵抗变形的程度。韧性是材料在失效前吸收能量的能力。在之前的一篇论文中,Rice实验室创建了地图来预测裂纹扩展前基于这些参数的复合材料的特性。

一幅插图显示了背景中前景和模型中的一种模式血小板 - 基质复合物,它是自然界最坚硬的材料之一。致谢多尺度材料实验室

Shahsavari说,在自然和仿生材料中增加裂缝引起的韧化是另一个强化和有趣的韧化来源,提供了防止失效的额外防线。 “这些模型揭示了裂纹前后强化现象之间的非直观协同作用,”他说。 “他们向我们展示了什么样的架构和组件可以让我们将各自的最佳特性结合起来。”

基线模型允许研究人员调整每个模拟的四个值:特征血小板长度,基质的可塑性,血小板不相似比率(当涉及多于一种类型的血小板时)和血小板重叠偏移量,所有这些对于复合材料的属性。

Shahsavari说,在400次模拟过程中,模型显示psi的最大因素可能是血小板长度。它表明,短血小板很大程度上对软基质的可塑性产生断裂控制,而长血小板则将其收回。使裂缝均匀分布并允许最大裂纹扩展的血小板长度可达到最佳psi,并使材料更好地避免灾难性故障。

该模型还将帮助研究人员设计材料是否会因为突然断裂而失效,如陶瓷,或缓慢如韧性金属,切换组件,使用对比血小板或更改架构。

Shahsavari是土木和环境工程以及材料科学和纳米工程的助理教授。

美国国家科学基金会和美国莱斯大学土木与环境工程系为该研究提供了支持。超级计算资源由美国国立卫生研究院提供,并与思科,Qlogic和Adaptive Computing合作提供IBM共享大学研究奖,以及Rice研究计算中心管理的由国家科学基金会支持的DAVinCI超级计算机,并与赖斯肯尼迪信息技术研究所。

出版物:Shafee Farzanian和Rouzbeh Shahsavari,“映射结构和材料在血小板 - 基质复合材料力学中的耦合作用”,2017年固体力学与物理杂志; DOI:10.1016 / j.jmps.2017.11.020

来源:莱斯大学Mike Williams