La forma en que se rompe un material puede ser la propiedad más importante a considerar al diseñar compuestos en capas que imiten 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 arroz Rouzbeh Shahsavari y el académico visitante Shafee Farzanian desarrollaron un mapa de diseño para ayudar con la síntesis de compuestos escalonados para aplicaciones a cualquier escala. desde la microelectrónica hasta los coches y las naves espaciales, donde liviano, Los compuestos estructurales multifuncionales son clave.

El modelo integra las geometrías y propiedades de varios componentes de la matriz y la plaqueta para calcular la resistencia del compuesto, tenacidad, rigidez y tensión de fractura. Cambiar cualquier parámetro arquitectónico o compositivo ajusta todo el modelo a medida que el usuario busca el psi óptimo, una cuantificación de su capacidad para 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 de dientes, bambú y mazas de camarón mantis, todos los cuales son arreglos a nanoescala de plaquetas duras conectadas por materiales de matriz blanda y dispuestas en ladrillos y mortero superpuestos, bouligand u otras arquitecturas.

Funcionan porque las partes duras son lo suficientemente fuertes para recibir golpes y lo suficientemente flexibles (debido a la matriz blanda) para distribuir la tensión por todo el material. Cuando se fracturan a menudo son capaces de distribuir o limitar el daño sin fallar por completo.

"Los materiales naturales ligeros son abundantes, "Dijo Shahsavari." En este tipo de materiales, ocurren dos tipos de endurecimiento. Uno viene antes de la propagación del crack, cuando las plaquetas se deslizan unas contra otras para aliviar el estrés. La otra es parte de la belleza de estos materiales:la forma en que se endurecen después de la propagación de grietas.

"Incluso cuando hay una grieta, no significa un fracaso, ", dijo." La grieta puede ser detenida o desviada varias veces entre las capas. En lugar de atravesar el material directamente hacia la superficie, que es una falla catastrófica, 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 impulsarla, en comparación con una grieta recta ".

Los científicos e ingenieros han trabajado durante años para replicar la luz, difícil, propiedades fuertes y rígidas de los materiales naturales, ya sea con componentes duros y blandos o combinaciones de diferentes tipos de plaquetas.

A los ingenieros, rigidez, la tenacidad y la resistencia son características distintas. La resistencia es la capacidad de un material de permanecer unido cuando se estira o se comprime. La rigidez es qué tan bien un material resiste la deformación. La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía antes de fallar. En un artículo anterior, el laboratorio de Rice creó mapas para predecir las propiedades de los compuestos basados ​​en esos parámetros antes de la propagación de grietas.

La adición de endurecimiento inducido por grietas en materiales naturales y biomiméticos, Shahsavari dijo:es otra fuente potente e interesante de endurecimiento que proporciona líneas de defensa adicionales contra fallas. "Los modelos descubrieron sinergias no intuitivas entre los fenómenos de endurecimiento antes y después de la fisura, "Nos mostraron qué arquitecturas y componentes nos permitirían combinar las mejores propiedades de cada uno".

El modelo de línea de base permitió a los investigadores ajustar cuatro valores para cada simulación:longitud plaquetaria característica, plasticidad de la matriz, la relación de disimilitud de plaquetas (cuando se trata de más de un tipo de plaquetas) y el desplazamiento de la superposición de plaquetas, todos los cuales son importantes para las propiedades del compuesto.

A lo largo de 400 simulaciones, el modelo reveló que el mayor factor en psi puede ser la longitud de las plaquetas, Dijo Shahsavari. Mostró que las plaquetas cortas ceden en gran medida el control de la fractura a la plasticidad de la matriz blanda, mientras que las plaquetas largas lo recuperan. Las longitudes de plaquetas 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 la cerámica, o lentamente, como metales dúctiles, cambiando componentes, usando plaquetas contrastantes o cambiando la arquitectura.

Shahsavari es profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y de ciencia de materiales y nanoingeniería.