Un'illustrazione mostra un modello composito a matrice piastrinica in primo piano e madreperla, uno dei materiali più resistenti della natura, sullo sfondo. I ricercatori della Rice University hanno sviluppato simulazioni al computer per decodificare i materiali naturali e guidare la ricerca sui compositi sintetici multifunzionali. Credito:Laboratorio di materiali multiscala/Università del riso
Il modo in cui un materiale si rompe può essere la proprietà più importante da considerare quando si progettano compositi stratificati che imitano quelli presenti in natura. Un metodo degli ingegneri della Rice University decodifica le interazioni tra i materiali e le strutture che formano e può aiutare a massimizzare la loro forza, durezza, rigidità e deformazione da frattura.
In uno studio che ha richiesto più di 400 simulazioni al computer di materiali compositi a matrice piastrinica come la madreperla, Lo scienziato dei materiali di riso Rouzbeh Shahsavari e lo studioso in visita Shafee Farzanian hanno sviluppato una mappa di progettazione per aiutare con la sintesi di compositi sfalsati per applicazioni a qualsiasi scala, dalla microelettronica alle automobili ai veicoli spaziali, dove leggero, i compositi strutturali multifunzionali sono fondamentali.
Il modello integra le geometrie e le proprietà di vari componenti di piastrine e matrici per calcolare la resistenza del composito, durezza, rigidità e deformazione da frattura. La modifica di qualsiasi parametro architettonico o compositivo regola l'intero modello mentre l'utente cerca la psi ottimale, una quantificazione della sua capacità di evitare guasti catastrofici.
La ricerca appare in Journal of Mechanics and Physics of Solids .
I compositi naturali sono comuni. Gli esempi includono madreperla (madreperla), smalto dei denti, bambù e le clavette di canocchie, che sono tutte disposizioni su scala nanometrica di piastrine dure collegate da materiali a matrice morbida e disposte in mattoni e malta sovrapposti, bouligand o altre architetture.
Funzionano perché le parti dure sono abbastanza resistenti da sopportare un battito e abbastanza flessibili (a causa della matrice morbida) per distribuire lo stress su tutto il materiale. Quando si fratturano, sono spesso in grado di distribuire o limitare il danno senza fallire del tutto.
"I materiali naturali leggeri sono abbondanti, " Shahsavari ha detto. "In questi tipi di materiali, si verificano due tipi di indurimento. Uno viene prima della propagazione della cricca, quando le piastrine scivolano l'una contro l'altra per alleviare lo stress. L'altro fa parte della bellezza di questi materiali:il modo in cui si induriscono dopo la propagazione delle cricche.
Un grafico radar di un composito a matrice dura di piastrine e morbido come quello in alto mostra come la modifica dei valori di ciascun input modifica la resistenza del materiale, sforzo, tenacità e rigidità. In questa trama, i numeri verticali rappresentano i valori lungo l'asse della forza. La trama è il prodotto di un modello degli scienziati dei materiali della Rice University che hanno affermato che aiuterà nella creazione di nuovi materiali sintetici che imiteranno i compositi più resistenti che si trovano in natura. I ricercatori hanno determinato che la lunghezza della piastrina è il fattore più critico nella capacità del composito di resistere a fratture catastrofiche. Credito:Laboratorio di materiali multiscala/Università del riso
"Anche quando c'è una crepa, non significa un fallimento, " ha detto. "La crepa può essere arrestata o deviata più volte tra gli strati. Invece di andare dritto attraverso il materiale fino alla superficie, che è un fallimento catastrofico, la crepa urta un altro strato e zigzaga o forma un altro schema complesso che ritarda o previene del tutto il cedimento. Questo perché una traiettoria di fessura lunga e complessa richiede molta più energia per guidarla, rispetto a una crepa dritta."
Scienziati e ingegneri hanno lavorato per anni per replicare la luce, difficile, proprietà forti e rigide dei materiali naturali, con componenti duri e molli o combinazioni di diversi tipi di piastrine.
Agli ingegneri, rigidità, tenacità e resistenza sono caratteristiche distinte. La forza è la capacità di un materiale di rimanere insieme quando viene allungato o compresso. La rigidità è quanto bene un materiale resiste alla deformazione. La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia prima del cedimento. In un precedente documento, il laboratorio Rice ha creato mappe per prevedere le proprietà dei compositi in base a tali parametri prima della propagazione delle cricche.
L'aggiunta di indurimento indotto da cricche in materiali naturali e biomimetici, Shahsavari ha detto, è un'altra potente e interessante fonte di rafforzamento che fornisce ulteriori linee di difesa contro il fallimento. "I modelli hanno scoperto sinergie non intuitive tra i fenomeni di incrudimento prima e dopo la fessurazione, " ha detto. "Ci hanno mostrato quali architetture e componenti ci avrebbero permesso di combinare le migliori proprietà di ciascuno".
Il modello di base ha permesso ai ricercatori di regolare quattro valori per ciascuna simulazione:lunghezza caratteristica delle piastrine, plasticità della matrice, il rapporto di dissimilarità piastrinica (quando è coinvolto più di un tipo di piastrine) e l'offset di sovrapposizione piastrinica, che sono tutti importanti per le proprietà del composito.
Nel corso di 400 simulazioni, il modello ha rivelato che il maggior fattore di psi potrebbe essere la lunghezza delle piastrine, ha detto Shahsavari. Ha mostrato che le piastrine corte forniscono in gran parte il controllo della frattura alla plasticità della matrice morbida, mentre le piastrine lunghe lo riprendono. Le lunghezze delle piastrine che distribuiscono la frattura in modo uniforme e consentono la massima crescita della cricca possono raggiungere il psi ottimale e rendere il materiale più in grado di evitare guasti catastrofici.
Il modello aiuterà anche i ricercatori a progettare se un materiale si romperà con una frattura improvvisa, come la ceramica, o lentamente, come metalli duttili, cambiando i componenti, utilizzando piastrine contrastanti o modificando l'architettura.
Shahsavari è un assistente professore di ingegneria civile e ambientale e di scienza dei materiali e nanoingegneria.
