新的仿真模型可更好探索先进复合材料性能的方法

 

       Rice材料科学家Rouzbeh Shahsavari和来访学者Shafee Farzanian共同研发了这个模型，用来解决从微电子到汽车再到航天器等领域中的各种复杂材料的合成技术，其中关键技术在于实现材料的质轻和多功能性。 该模型来源于超过400种计算机模拟自然薄片基质如珍珠母等复合材料。

 

       该模型通过整合了各种薄片和基体组件的几何形状和属性，来计算出复合材料的强度，韧性，刚度和断裂应变。用户可以更改任何架构或组成参数找到最佳的尺寸实现量化材料避免灾难性故障的能力。工程师在“固体力学与物理杂志”的论文中报告了他们详尽的工作。

 

       例如珍珠母（珍珠母），牙釉质，竹子和螳螂虾的指环等都是很常见的来自自然的复合材料。 所有这些材料都是由软质基体连接而成的硬片体的纳米级阵列，并将阵列组成重叠的实体或其他结构。

 

       由于该材料可使应力分布均匀，所以具有良好的强度和塑性，这些特性赋予了这种天然复合材料很大的用途。当它们局部断裂时，它们通常可以分散应力以减小断裂范围以防止整体损坏。

 

       Shahsavari说：“自然界中有着丰富的轻质材料，在这些类型的材料中，两种材料复合可增加其性能。一个是在裂纹扩展之前，可通过片层间滑动减小应力。这些材料另一个魅力之处在于:它们在裂纹扩展后的增韧方式。

 

       “即使存在裂缝，也不会导致整个材料失效，裂缝可在片层之间被消失或发生偏移，而不是直接到达材料的表面，如果裂缝穿过表面则是非常不希望看到的，裂纹会碰到另一个裂纹或者形成另一种延迟或完全防止失效的复合结构，与直裂纹相比，长而复杂的裂纹需要更多的能量来驱动其运动。”

 

       科学家和工程师多年来一直致力于研制出具有类似天然材料一样的轻质、塑性好和硬度高的而且无论是硬质和软质组分还是不同类型的薄片组合的材料。

 

       材料的刚度、韧性和强度对于工程师来说是非常重要的属性。 强度是指材料在拉伸或压缩时仍保持不变， 刚度是指材料抵抗变形的能力， 韧性是指材料发生塑性应变之前所承受的力量。the Rice工程师们曾在一片文章中根据已有参数绘制了一幅复合材料的性能的曲线图。

 

       Shahsavari说：“在模拟自然材料中增加裂纹引起的韧化是增韧的另一个有效增加额外防止实验失败的途径。这些模型揭示了裂纹之间的协同作用。他们给我们展示出所要最佳性能材料需要的各种组合。”

 

       基线模型保证实验中可有四个变量：特征薄板长度、基质的可塑性、薄片不相似比率（当涉及多于一种类型的薄板时）和薄板重叠偏移量，这些变量对于复合材料的性能都有着非常重要的影响。

 

       Shahsavari说：“在超过400次的实验中，我们发现这些因素中起决定性作用的可能是薄板长度。 结果表明，薄板长度对软基质的塑性有很大的控制作用，而且薄板长度越长的塑性越差。 通过控制薄板长度可以使裂缝均匀分布并允许最大裂纹扩展，使材料更好地避免灾难性故障。

 

       这种模型也会帮助研究人员知道一个材料在受到一个突然的外加应力时，通过切换组元部分，利用比较薄片长度或者改变这种结构来判断是否会发生类似陶瓷或部分金属一样的断裂情况。