Undersøgelse giver gennembrud i forståelsen af ​​fejl i højtydende fibre

Træk en skræl. For mange, sætningen formoder sandsynligvis signaturbundterne med rød lakrids (og den eneste rigtige måde at spise dem på). Til materialeforskere som University of Nebraska – Lincolns Yuris Dzenis og hans kolleger, selvom, det repræsenterer en nyttig metafor for den overraskende lignende struktur af de højtydende fibre, der findes i karosseripanser og rumfartsteknik.

Det kunne også beskrive en kraftfuld ny teknik til analyse og, Dzenis håber, i sidste ende bekæmpe fiaskoen i disse polymerfibre - ikke et årti for tidligt.

1960'erne og 70'erne frigjorde en flod af fiberrelaterede fremskridt, hvad Dzenis kaldte "en sand revolution" i forbedringen af ​​deres kemi, sammensætning og behandling. Men den kilde tørrede op i 1980'erne, han sagde, og har været relativt gold siden.

En sandsynlig flaskehals? En begrænset forståelse for, hvordan fibre opfører sig, når de bliver strakt til deres bristepunkt, ellers kendt som trækstyrke.

"Hvad vi synes, og vores amerikanske hærs samarbejdspartnere tænker også, er, at det kan skyldes vores dårlige forståelse af, hvordan disse komplekse fibre reagerer på belastning, "sagde Dzenis, McBroom Professor i mekanik og materialeteknik. "På trods af at de er blevet undersøgt i fem årtier, der er stadig ingen fuld forståelse af brudmekanismer og deformation.

"Som altid, når vi vil optimere noget, vi skal først forstå det. "

Materialeforskere forstod allerede, at en højtydende fiber generelt består af tre hierarkier:nanoskopiske slyngtråde, der er tusindvis af gange tyndere end menneskehår; mikroskopisk, tæt pakket bundter af disse slynger; og den makroskopiske fiber, som disse bundter udgør. Eller, i pull 'n' peel vilkår:individuelle tråde af lakrids, bundterne, disse tråde trækkes fra, og pakken, der indeholder dem.

Selvom forskere havde analyseret, hvordan fibre reagerede på nano- og makroskala, ingen havde fundet ud af at måle interaktionerne mellem de mikroskopiske bundter - interaktioner, som mange mistænkte var kritiske for at forstå nogle modintuitive fund og processen generelt.

Dzenis-vejledte ph.d. Taylor Stockdale og kolleger ved U.S. Army Research Laboratory var klar til opgaven. Stockdale udtænkte en teknik til at ætse minimale T-formede hak i toppen af ​​fiberen og skræl overfladen tilbage, mens den blev strakt, alt imens man undgik de forstyrrelser, der ugyldiggjorde målinger, der blev taget med andre teknikker - det nanoskopiske ækvivalent med at gå en strop uden at forstyrre det. Med fiberens tarm afsløret, holdet var derefter i stand til at anvende mere velkendte metoder, ved hjælp af et nano-indrykkende instrument til at måle kræfterne, der adskiller tilstødende bundter og et sofistikeret mikroskop til at forestille sig, hvilke bundter der rives fra hinanden.

Efter at have gjort det, teamet satte sig for at sammenligne adfærden for to almindelige højtydende fibre:en Kevlar-fiber bestående af stive polymerkæder og en anden, mere fleksibel polyethylenfiber. Dzenis og hans kolleger var især interesserede i at analysere fiberflimmer, bundternes tendens til ikke at rive på samme tidspunkt - som ved et rent brud - men på forskellige punkter langs en fiberlængde, hvilket fører til bundtudtræk og fiberfejl. Fordi intet hold nogensinde havde formået at kvantificere adskillelsen mellem bundter, den proces, meget gerne bundterne selv, var blevet gemt under overfladen.

Teamets eksperimenter afslørede, at der var brug for betydeligt mindre energi til at adskille bundter i den fleksible kæde polyethylenfiber end i de stivere Kevlar-fibre, hjælper med at tydeliggøre, hvorfor fibrillationer spredte sig meget længere langs de tidligere fibres længde end sidstnævnte.

De resulterende data, og den teknik, der gav det, skulle informere fremtidige beregningsmodeller og i sidste ende hjælpe med at optimere fremstillingsprocesser, der fører til mere resistente, længerevarende fibre, sagde forskerne.

"For første gang, disse oplysninger gav os mulighed for at forklare forskellene i fibrillering, "Dzenis sagde om holdets undersøgelse, som for nylig prydede forsiden af ​​tidsskriftet ACS -anvendte materialer og grænseflader . "Vi forklarer forskellene ved hjælp af data, hvilket allerede er et stort gennembrud. "

Det var ikke den eneste. Efter at have sammenlignet mængden af ​​absorberet separationsenergi på alle tre skalaer af polyethylenfiberen - tendril, bundt og hele fiber-teamet fandt ud af, at energien overholdt en såkaldt kraftlov. I dette tilfælde, den absorberede separationsenergi syntes at stige proportionalt med separationsoverfladearealet taget til en effekt på ca. 0,5, hvilket betyder, at energien steg med en konsekvent langsommere hastighed i forhold til stigningen i skalaen. At, på tur, foreslog, at tendrils skulle være lettere at adskille end bundter, og bundter lettere end hele fibre.

Og det var ikke alt. I strukturer, power-law skalering ledsages ofte af selvlighed:et fænomen, hvor dele af en struktur ligner strukturen som helhed, som når armene på et snefnug deler strukturelle træk med hele flaget. Helt sikkert, når teamet sammenlignede billeder af separationsbrud blandt de mikroskopiske bundter og de makroskopiske fiberdele, det opdagede lignende broer af materiale, der spænder over hullerne på begge skalaer-tegn på selvlighed, der også kan hjælpe med at forklare power-law skalering.

"Mennesker i brudmekanik, i fysik, de fejrer normalt, når de ser sådan noget, fordi den er så rig til fremtidig modellering og så videre, "Sagde Dzenis." Det er også meget grundlæggende. Det kan ende med at være kernen i dette kompleks, brudadfærd på flere niveauer.

"Vi forventer, at folk nu vil lede efter selv-lighed i fibre, sandsynligvis for første gang, fordi der ikke var tegn på noget lignende før. Der manglede et link. Nu har vi det. "

Spørgsmål forbliver, Dzenis sagde, den mest spændende vedrører ordtaket om en kæde, der bryder på sit svageste led. Det ordsprog gælder normalt for svigt i strukturer, han sagde. I betragtning af holdets resultater om absorberet separationsenergi, princippet antydede, at den værste fibrillering skulle have fundet sted blandt de nanoskopiske tendrils, ikke de mikroskopiske bundter.

"Det undrede os, "sagde han." Det forsinkede faktisk udgivelsen i cirka et halvt år. Vi skulle frem og tilbage; vi havde sandsynligvis 15 udkast til dette papir, indtil vi besluttede os for dette. Ifølge energien, flimmer skulle have været på nanoskalaen. Men noget udelukker det i fiberen, og den store fibrillering er i mellemskalaen. Svaret på dette spørgsmål mangler endnu at blive formuleret eller afsluttet, men vi har nogle spor nu. "

I mellemtiden, Dzenis sagde, teamets flere gennembrud skulle hjælpe materialeforskere og ingeniører med i det mindste at begynde at opklare nogle af de store tråde, der har begrænset feltet så længe.

"Fiberfremstillingsprocesser er komplekse og stadig ikke velforståede, men nogle ting kan justeres:nogle koncentrationer, noget kemi, nogle tegner forhold og temperaturer og så videre, "sagde han." Når vi ændrer dem, vi kan måle en endelig fiberegenskab, men med en så kompleks fejlmekanisme ... er den endelige ejendom kun et datapunkt. Det er ikke nok at forstå, hvordan eller hvorfor en ændring i behandlingen vil påvirke fejlmekanismen. Bedre forståelse af detaljer på forskellige skalaer vil være meget, meget kraftfuld og gavnlig information til forskere. Disse kvantitative oplysninger er nøglen til at videreudvikle disse mekanismer og skabe nye superfibre.

"Vi er begejstrede. Det er ikke ofte, man finder noget kvalitativt nyt, endsige kvantitativt uventet. Men dette er kun begyndelsen. "