Nanoglue kan gøre kompositter flere gange hårdere under dynamisk belastning

I en opdagelse, der kunne bane vejen for nye materialer og anvendelser, materialeforskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har fundet ud af, at oscillerende belastninger ved visse frekvenser kan føre til flere gange stigninger i styrken af ​​kompositter med en grænseflade, der er modificeret af et molekylært lag af "nanogl".

En nyligt offentliggjort artikel i Naturkommunikation rapporterer den uventede opdagelse af virkningerne af belastningsfrekvens på brudenergien af ​​en flerlagskomposit, der involverer en "nanogl, ", hvis brug også blev pioneret hos Rensselaer.

"Afgravning, forståelse, og manipulation af fænomener i nanoskala ved grænseflader under dynamiske stimuli er en nøgle til at designe nye materialer med nye svar til applikationer, " sagde Ganpati Ramanath, John Tod Horton-professoren i materialevidenskab og -teknik ved Rensselaer og hovedforfatteren på undersøgelsen. "Vores arbejde viser, at introduktion af et nanogluelag ved en grænseflade af en lagdelt komposit kan føre til stor mekanisk hærdning ved visse belastningsfrekvenser."

Ramanath og hans team af samarbejdspartnere fandt ud af, at ved visse indlæsningsfrekvenser, den energi, der kræves for at bryde en nanoglu-modificeret polymer-metal-keramisk komposit tredoblet, og overskredet den statiske belastningsbrudenergi. Denne adfærd er uventet og signifikant, fordi brudenergi typisk er lavere under cyklisk belastning end under statisk belastning. En sådan frekvensafhængig hærdning blev kun observeret, når et nanogluelag blev brugt til at binde metallet og keramikken.

Resultaterne viser også, at mens nanolaget er nødvendigt for at hærde kan forekomme, frekvensområdet og graden af ​​hærdning bestemmes primært af de mekaniske egenskaber af polymeren i kompositten. Specifikt, nanogluen letter belastningsoverførslen på tværs af metal-keramisk grænseflade og spreder energi i polymeren gennem plastisk deformation, fører til en stigning i frakturenergi.

"Vores opdagelse åbner op for et helt nyt sæt af muligheder for at designe kompositter med nye reaktioner ved hjælp af forskellige kombinationer af polymerer og grænsefladenanolag. F.eks. vi kunne realisere en helt ny klasse af smarte kompositter, der kan hærde markant, eller måske endda selvdestruktion, ved visse frekvenser, " sagde Ramanath.

"Vores resultater af begunstigede koblinger mellem nanoglue-effekten og egenskaberne af en bestanddel i en komposit under cyklisk belastning åbner et nyt paradigme inden for pålidelighedsteknik, " sagde medforfatter Michael Lane, Billie Sue Hurst professor i kemi ved Emory &Henry College. "Manipulation af koblingen kan faktisk gøre kompositter mere robuste under blot de belastningsforhold, vi traditionelt har forsøgt at undgå, og dermed, kan udvide omfanget og forbedre ydeevnen af ​​kompositter i applikationer."