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大自然中最艰难的物质被解码弹性垫

2022-09-23 12:33:46 辉宏机械网

大自然中最艰难的物质被解码

在设计模仿自然界中存在的复合材料的层状复合材料时，如何折断材料可能是最重要的考虑因素。

莱斯大学工程师采用的一种方法可以解码材料与它们形成的结构之间的相互作用，并且可以帮助最大化其强度，韧性，刚度和断裂应变。

在一项需要对花生基质等血小板基质复合材料进行400余次计算机模拟的研究中，莱斯材料科学家Rouzbeh Shahsavari和访问学者Shafee Farzanian绘制了设计图，以帮助交错制备各种规模的复合材料从微电子学到汽车再到航天器，在这些领域中轻便，多功能的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。更改任何建筑或组成参数都会在用户寻求最佳psi时调整整个模型，这是对模型避免灾难性故障的能力的量化。

该研究发表在《固体力学与物理学》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，竹子和螳螂虾的半圆棒，它们都是由软基质材料连接的硬质片的纳米级排列，并排列在重叠的实体，布氏体或其他中。建筑。

它们之所以起作用，是因为坚硬的零件足够坚固，足以承受跳动，并且足够柔软（由于柔软的基体），可以在整个材料中分布应力。当它们破裂时，它们通常能够在不完全破坏的情况下分配或限制破坏。

沙萨瓦里说：“轻质的天然材料非常丰富。” “在这些类型的材料中，发生两种增韧。一种是在裂纹扩展之前，当血小板相互滑动以释放应力时发生的。另一种是这些材料之美的一部分：它们在裂纹扩展后的增韧方式。

他说：“即使出现裂缝，也并不意味着失败。” “裂纹可能在层之间被阻止或偏转了好几次。裂纹不是直接穿过材料到达表面，而是灾难性的失败，而是撞击到另一层并呈锯齿形或形成另一个复杂的图案，从而延迟或完全阻止了裂纹的发生。这是因为与直裂纹相比，长而复杂的裂纹轨迹需要更多的能量来驱动它。”

科学家和工程师们已经工作了多年，以复制天然材料的轻，韧，强和硬特性，无论是硬成分还是软成分或不同血小板类型的组合。

对于工程师而言，刚度，韧性和强度是鲜明的特征。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能力。韧性是材料在失效之前吸收能量的能力。在以前的论文中，Rice实验室根据裂纹扩展前的那些参数创建了可预测复合材料性能的贴图。

Shahsavari说，在天然和仿生材料中添加裂纹引起的增韧是另一种有效而有趣的增韧来源，可提供额外的防御线。他说：“这些模型揭示了裂纹前和裂纹后增韧现象之间的非直观协同作用。” “他们向我们展示了哪些架构和组件将使我们能够将每种架构的最佳特性组合在一起。”

基线模型允许研究人员为每个模拟调整四个值：特征性血小板长度，基质的可塑性，血小板不相似率（当涉及一种以上类型的血小板时）和血小板重叠偏移，所有这些对于复合材料的特性。

Shahsavari说，在400次模拟过程中，该模型显示，psi的最大影响因素可能是血小板长度。结果表明，短血小板在很大程度上控制了软基质的可塑性，而长血小板则将其带回。均匀分布裂缝并允许最大裂纹扩展的血小板长度可以达到最佳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，是通过切换组件，使用对比性的血小板或改变结构来使材料突然断裂，例如陶瓷，还是缓慢地断裂，例如韧性金属。

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。