Materialeteori kombinerer styrke, stivhed og sejhed af kompositter til et enkelt designkort

Perlemor, det iriserende lag i skallerne af nogle bløddyr, inspireret til et Rice University -studie, der vil hjælpe forskere og ingeniører med at bedømme den ultimative styrke, stivhed og sejhed af kompositmaterialer til alt fra nanoskalaelektronik til bygninger.

Risforskere Rouzbeh Shahsavari og Navid Sakhavand har skabt universelle kort, der forudsiger egenskaberne af naturlige og biomimetiske trombocytmatrixkompositter (som nacre, aka perlemor) og syntetiske stakke (eller heterostrukturer) af materialer som grafen og bornitrid.

De sagde, at deres computertegnede kort er "dimensionsløse", og deres fund vil også fungere for materialer, der er bygget med nanoskala-blokke, som de ville gøre for en murstensvæg, eller større.

"Det er det smukke ved denne tilgang:Den kan skaleres til noget meget stort eller meget lille, "sagde Shahsavari, en adjunkt i civil- og miljøteknik og i materialevidenskab og teknik.

Undersøgelsen dukkede op i denne uge i Naturkommunikation .

Formlen bygger på fire karakteristika ved de enkelte materialer, der overvejes for en komposit:deres længde, et forhold baseret på deres respektive stivhed, deres plasticitet og hvordan de overlapper hinanden.

Det er input, sagde Sakhavand, en kandidatstuderende i Shahsavaris laboratorium. "Hvis du kender dem, du kan forudsige stivheden, styrke og sejhed af det endelige komposit. Vi kalder dette et universelt kort, fordi alle disse inputparametre er relevante for alle kompositter og deres strukturelle egenskaber. "

Til materialeforskere og ingeniører, stivhed, sejhed og styrke er tydelige, vigtige mekaniske egenskaber. Styrke er et materiales evne til at forblive sammen, når det strækkes eller komprimeres. Stivhed er, hvor godt et materiale modstår deformation. Sejhed er et materiales evne til at absorbere energi før fejl.

Forskernes designkort viser, hvordan materialer vurderes i alle tre kategorier, og hvor de overlapper hinanden. Deres mål er at hjælpe ingeniører med at beregne de ultimative kvaliteter af et materiale og reducere forsøg og fejl.

Undersøgelsen begyndte, da Shahsavari kiggede nærmere på arkitekturen i nacre, som maksimerer både styrke og sejhed, som som typisk gensidigt eksklusive egenskaber i konstruerede materialer. Under et mikroskop, nacre ligner en velbygget murstensvæg med overlappende blodplader i forskellige længder holdt sammen af ​​tynde lag af en elastisk biopolymer.

"Det har en meget særlig struktur og egenskab:Det optimerer forskellige mekaniske egenskaber på samme tid." Sagde Sakhavand.

Imidlertid, Det har hidtil været svært at konstruere nacre-lignende kompositter, "hovedsageligt på grund af manglen på et designkort, der kan afsløre de forskellige forbindelser mellem strukturen, materialer og egenskaber ved nacre-lignende materialer, "Sagde Shahsavari.

Han sagde, at arbejdet er en vigtig milepæl mod en bedre evne til at afkode og replikere nacres arkitektur for letvægts, højtydende kompositter. Disse kan gavne luftfart, auto- og byggeindustrien, han sagde.

Risforskernes arbejde strakte sig over tre års beregning og eksperimentering, der involverede kortlægning af egenskaberne af naturlige kompositter som kollagen og edderkoppesilke samt syntetiske stakke som sekskantet bornitrid/grafen og silumin/aluminiumoxid. De testede også deres teori på makro-skala, 3D-printede kompositter af hård plast og blød gummi, der efterlignede de egenskaber, de observerede i nacre.

Et kort over 15 af de materialer, de testede, viser, at naturlige materialer som nacre har en tendens til at være stærke og hårde, mens syntetiske stoffer hælder mod stærke og stive. Shahsavari sagde, at han håber, at materialeforskere vil bruge designkortene til at give deres kompositter den bedst mulige kombination af alle tre egenskaber.