Hoe een materiaal breekt, is misschien wel de belangrijkste eigenschap om te overwegen bij het ontwerpen van gelaagde composieten die lijken op die in de natuur. Een methode van Rice University-ingenieurs decodeert de interacties tussen materialen en de structuren die ze vormen en kan helpen hun sterkte te maximaliseren, taaiheid, stijfheid en breukbelasting.

In een onderzoek waarvoor meer dan 400 computersimulaties nodig waren van composietmaterialen van bloedplaatjes-matrix, zoals parelmoer, Rijstmateriaalwetenschapper Rouzbeh Shahsavari en gastwetenschapper Shafee Farzanian ontwikkelden een ontwerpkaart om te helpen bij de synthese van verspringende composieten voor toepassingen op elke schaal, van micro-elektronica tot auto's tot ruimtevaartuigen, waar lichtgewicht, multifunctionele structurele composieten zijn de sleutel.

Het model integreert de geometrieën en eigenschappen van verschillende plaatjes en matrixcomponenten om de sterkte van het composiet te berekenen, taaiheid, stijfheid en breukbelasting. Door een architecturale of compositorische parameter te wijzigen, wordt het hele model aangepast terwijl de gebruiker de optimale psi zoekt, een kwantificering van zijn vermogen om catastrofale mislukkingen te voorkomen.

Het onderzoek verschijnt in de Journal of Mechanics and Physics of Solids .

Natuurlijke composieten komen veel voor. Voorbeelden zijn parelmoer (parelmoer), tandglazuur, bamboe en de dactyl-clubs van bidsprinkhaangarnalen, allemaal nanoschaal arrangementen van harde bloedplaatjes verbonden door zachte matrixmaterialen en gerangschikt in overlappende baksteen-en-mortel, bouligand of andere architecturen.

Ze werken omdat de harde delen sterk genoeg zijn om tegen een stootje te kunnen en flexibel genoeg (vanwege de zachte matrix) om de spanning over het materiaal te verdelen. Als ze breken, ze zijn vaak in staat om de schade te verdelen of te beperken zonder helemaal te falen.

"Lichtgewicht natuurlijke materialen zijn er in overvloed, " zei Shahsavari. "In dit soort materialen, twee soorten verharding gebeuren. Men komt voor scheurvoortplanting, wanneer de bloedplaatjes tegen elkaar schuiven om stress te verlichten. De andere maakt deel uit van de schoonheid van deze materialen:de manier waarop ze taaier worden na scheurvermeerdering.

"Zelfs als er een barst is, het betekent geen mislukking, " zei hij. "De scheur kan meerdere keren tussen de lagen worden gestopt of afgebogen. In plaats van dwars door het materiaal naar de oppervlakte te gaan, wat een catastrofale mislukking is, de scheur botst tegen een andere laag en zigzagt of vormt een ander complex patroon dat het falen vertraagt ​​of volledig voorkomt. Dit komt omdat een lang en complex scheurtraject veel meer energie vereist om het aan te drijven, vergeleken met een rechte spleet."

Wetenschappers en ingenieurs hebben jarenlang gewerkt om het licht, moeilijk, sterke en stijve eigenschappen van natuurlijke materialen, hetzij met harde en zachte componenten of combinaties van verschillende soorten bloedplaatjes.

Aan ingenieurs, stijfheid, taaiheid en sterkte zijn verschillende kenmerken. Kracht is het vermogen van een materiaal om bij elkaar te blijven wanneer het wordt uitgerekt of samengedrukt. Stijfheid is hoe goed een materiaal bestand is tegen vervorming. Taaiheid is het vermogen van een materiaal om energie te absorberen voordat het faalt. In een eerdere krant het Rice-lab heeft kaarten gemaakt om de eigenschappen van composieten te voorspellen op basis van die parameters vóór scheurvoortplanting.

De toevoeging van scheur-geïnduceerde taaiheid in natuurlijke en biomimetische materialen, Shahsavari zei, is een andere krachtige en interessante bron van versterking die extra verdedigingslinies biedt tegen falen. "De modellen onthulden niet-intuïtieve synergieën tussen de verhardingsverschijnselen voor en na de scheur, " zei hij. "Ze lieten ons zien welke architecturen en componenten ons in staat zouden stellen om de beste eigenschappen van elk te combineren."

Met het basislijnmodel konden de onderzoekers vier waarden aanpassen voor elke simulatie:karakteristieke bloedplaatjeslengte, plasticiteit van de matrix, de trombocytenongelijkheidsverhouding (wanneer er meer dan één type trombocyt is) en de verschuiving van de trombocytenoverlap, die allemaal belangrijk zijn voor de eigenschappen van de composiet.

In de loop van 400 simulaties, het model onthulde dat de grootste factor in psi de lengte van de bloedplaatjes kan zijn, zei Shahsavari. Het toonde aan dat korte bloedplaatjes grotendeels breukcontrole opleveren voor de plasticiteit van de zachte matrix, terwijl lange bloedplaatjes het terugnemen. Bloedplaatjeslengtes die de breuk gelijkmatig verdelen en maximale scheurgroei mogelijk maken, kunnen de optimale psi bereiken en het materiaal beter in staat stellen om catastrofale storingen te voorkomen.

Het model zal onderzoekers ook helpen ontwerpen of een materiaal zal bezwijken bij een plotselinge breuk, zoals keramiek, of langzaam, zoals ductiele metalen, door componenten te wisselen, contrasterende bloedplaatjes gebruiken of de architectuur veranderen.

Shahsavari is een assistent-professor civiele en milieutechniek en materiaalwetenschap en nano-engineering.