La forma en que se rompe un material puede ser la propiedad más importante a tener en cuenta al diseñar compuestos en capas que imitan a los que se encuentran en la naturaleza. Un método de los ingenieros de la Universidad de Rice decodifica las interacciones entre los materiales y las estructuras que forman y puede ayudar a maximizar su resistencia, tenacidad,rigidez y tensión de fractura.
En un estudio que requirió más de 400 simulaciones por computadora de materiales compuestos de matriz de plaquetas como el nácar, el científico de materiales de Rice Rouzbeh Shahsavari y el académico visitante Shafee Farzanian desarrollaron un mapa de diseño para ayudar con la síntesis de compuestos escalonados para aplicaciones encualquier escala, desde microelectrónica hasta automóviles y naves espaciales, donde los compuestos estructurales ligeros y multifuncionales son clave.
El modelo integra las geometrías y propiedades de varios componentes de plaquetas y matriz para calcular la resistencia, tenacidad, rigidez y deformación por fractura del compuesto. Cambiar cualquier parámetro arquitectónico o compositivo ajusta todo el modelo a medida que el usuario busca el psi óptimo, una cuantificación de sucapacidad de evitar fallas catastróficas.
La investigación aparece en el Revista de mecánica y física de sólidos .
Los compuestos naturales son comunes. Los ejemplos incluyen nácar nácar, esmalte dental, bambú y los mazos de dáctilo del camarón mantis, todos los cuales son arreglos a nanoescala de plaquetas duras conectadas por materiales de matriz blanda y dispuestos en ladrillo superpuesto.y-mortero, bouligand u otras arquitecturas.
Funcionan porque las partes duras son lo suficientemente fuertes como para recibir golpes y lo suficientemente flexibles debido a la matriz blanda para distribuir el estrés en todo el material. Cuando se fracturan, a menudo pueden distribuir o limitar el daño sin fallar por completo.
"Los materiales naturales livianos son abundantes", dijo Shahsavari. "En este tipo de materiales, ocurren dos tipos de endurecimiento. Uno ocurre antes de la propagación de grietas, cuando las plaquetas se deslizan unas contra otras para aliviar el estrés. El otro es parte de la bellezade estos materiales: la forma en que se endurecen después de la propagación de grietas.
"Incluso cuando hay una grieta, no significa una falla", dijo. "La grieta puede ser detenida o desviada varias veces entre las capas. En lugar de ir directamente a través del material a la superficie, lo cual es catastróficofalla, la grieta choca con otra capa y zigzaguea o forma otro patrón complejo que retrasa o evita por completo la falla. Esto se debe a que una trayectoria de grieta larga y compleja requiere mucha más energía para conducirla, en comparación con una grieta recta ".
Los científicos e ingenieros han trabajado durante años para replicar las propiedades ligeras, resistentes, fuertes y rígidas de los materiales naturales, ya sea con componentes duros y blandos o combinaciones de diferentes tipos de plaquetas.
Para los ingenieros, la rigidez, la tenacidad y la resistencia son características distintas. La resistencia es la capacidad de un material de permanecer unido cuando se estira o comprime. La rigidez es qué tan bien un material resiste la deformación. La dureza es la capacidad de un material de absorber energía antes de fallarEn un artículo anterior, el laboratorio de Rice creó mapas para predecir las propiedades de los compuestos en función de esos parámetros antes de la propagación de grietas.
La adición de endurecimiento inducido por grietas en materiales naturales y biomiméticos, dijo Shahsavari, es otra fuente potente e interesante de endurecimiento que proporciona líneas adicionales de defensa contra el fracaso ". Los modelos descubrieron sinergias no intuitivas entre el endurecimiento antes y después del crackfenómenos ", dijo." Nos mostraron qué arquitecturas y componentes nos permitirían combinar las mejores propiedades de cada uno ".
El modelo de referencia permitió a los investigadores ajustar cuatro valores para cada simulación: longitud de plaquetas característica, plasticidad de la matriz, relación de disparidad de plaquetas cuando está involucrado más de un tipo de plaquetas y el desplazamiento de superposición de plaquetas, todos los cuales sonimportante para las propiedades del compuesto.
Shahsavari dijo que durante el transcurso de 400 simulaciones, el modelo reveló que el factor más importante en psi puede ser la longitud de las plaquetas. Mostró que las plaquetas cortas en gran medida ceden el control de la fractura a la plasticidad de la matriz blanda, mientras que las plaquetas largas la recuperan.las longitudes que distribuyen la fractura de manera uniforme y permiten el máximo crecimiento de grietas pueden lograr la psi óptima y hacer que el material sea más capaz de evitar fallas catastróficas
El modelo también ayudará a los investigadores a diseñar si un material fallará con una fractura repentina, como cerámica, o lentamente, como metales dúctiles, al cambiar componentes, usar plaquetas contrastantes o cambiar la arquitectura.
Shahsavari es profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y de ciencia de materiales y nanoingeniería.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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