In een ontdekking die de weg zou kunnen effenen voor nieuwe materialen en toepassingen, materiaalwetenschappers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben ontdekt dat oscillerende belastingen bij bepaalde frequenties kunnen leiden tot een meervoudige toename van de sterkte van composieten met een interface die wordt gemodificeerd door een moleculaire laag van "nanoglue".

Een nieuw gepubliceerd artikel in Natuurcommunicatie meldt de onverwachte ontdekking van de effecten van de belastingsfrequentie op de breukenergie van een meerlaags composiet waarbij een "nanoglue, waarvan het gebruik ook bij Rensselaer werd gepionierd.

"Opgraven, begrip, en het manipuleren van fenomenen op nanoschaal op grensvlakken tijdens dynamische stimuli is een sleutel tot het ontwerpen van nieuwe materialen met nieuwe reacties voor toepassingen, " zei Ganpati Ramanath, de John Tod Horton Professor of Materials Science and Engineering bij Rensselaer en de hoofdauteur van het onderzoek. "Ons werk toont aan dat het introduceren van een nanolijmlaag op een grensvlak van een gelaagde composiet kan leiden tot grote mechanische taaiheid bij bepaalde belastingsfrequenties."

Ramanath en zijn team van medewerkers ontdekten dat, bij bepaalde laadfrequenties, de energie die nodig is om een ​​nanolijm-gemodificeerd polymeer-metaal-keramiekcomposiet te breken verdrievoudigd, en overschreed de statische ladingsbreukenergie. Dit gedrag is onverwacht en significant omdat de breukenergie doorgaans lager is tijdens cyclische belasting dan tijdens statische belasting. Een dergelijke frequentieafhankelijke taaiheid werd alleen waargenomen wanneer een nanolijmlaag werd gebruikt om het metaal en het keramiek te binden.

De resultaten laten ook zien dat hoewel de nanolaag nodig is om te harden, het frequentiebereik en de mate van taaiheid worden voornamelijk bepaald door de mechanische eigenschappen van het polymeer in het composiet. specifiek, de nanolijm vergemakkelijkt de overdracht van de belasting over de metaal-keramische interface en dissipeert energie in het polymeer door plastische vervorming, wat leidt tot een toename van de breukenergie.

"Onze ontdekking opent een geheel nieuwe reeks mogelijkheden om composieten te ontwerpen met nieuwe reacties met behulp van verschillende combinaties van polymeren en grensvlak-nanolagen. we een volledig nieuwe klasse slimme composieten kunnen realiseren die aanzienlijk kunnen verharden, of misschien zelfs zelfvernietiging, bij bepaalde frequenties, ' zei Ramanath.

"Onze bevindingen van begunstigde koppelingen tussen het nanoglue-effect en de eigenschappen van een bestanddeel in een composiet tijdens cyclische belasting openen een nieuw paradigma in betrouwbaarheidsengineering, " zei co-auteur Michael Lane, de Billie Sue Hurst hoogleraar scheikunde aan het Emory &Henry College. "Het manipuleren van de koppeling kan composieten juist robuuster maken onder de belastingscondities die we traditioneel probeerden te vermijden, en daarom, kan de reikwijdte enorm uitbreiden en de prestaties van composieten in toepassingen verbeteren."