新的仿真模型可更好探索先進復合材料性能的方法 返回行業(yè)資訊

當設計仿造出類似自然界中發(fā)現的層狀復合材料時，最應該考慮的就是材料的失效行為。 萊斯大學工程師們研制出一種新穎的模型可以模擬出材料及其結構之間的相互作用，幫助最大化其強度，韌性，剛度和斷裂伸長率。

 

Rice材料科學家Rouzbeh Shahsavari和來訪學者Shafee Farzanian共同研發(fā)了這個模型，用來解決從微電子到汽車再到航天器等領域中的各種復雜材料的合成技術，其中關鍵技術在于實現材料的質輕和多功能性。 該模型來源于超過400種計算機模擬自然薄片基質如珍珠母等復合材料。

 

該模型通過整合了各種薄片和基體組件的幾何形狀和屬性，來計算出復合材料的強度，韌性，剛度和斷裂應變。用戶可以更改任何架構或組成參數找到最佳的尺寸實現量化材料避免災難性故障的能力。工程師在“固體力學與物理雜志”的論文中報告了他們詳盡的工作。

 

例如珍珠母（珍珠母），牙釉質，竹子和螳螂蝦的指環(huán)等都是很常見的來自自然的復合材料。 所有這些材料都是由軟質基體連接而成的硬片體的納米級陣列，并將陣列組成重疊的實體或其他結構。

 

由于該材料可使應力分布均勻，所以具有良好的強度和塑性，這些特性賦予了這種天然復合材料很大的用途。當它們局部斷裂時，它們通�？梢苑稚�應力以減小斷裂范圍以防止整體損壞。

 

Shahsavari說：“自然界中有著豐富的輕質材料，在這些類型的材料中，兩種材料復合可增加其性能。一個是在裂紋擴展之前，可通過片層間滑動減小應力。這些材料另一個魅力之處在于:它們在裂紋擴展后的增韌方式。

 

“即使存在裂縫，也不會導致整個材料失效，裂縫可在片層之間被消失或發(fā)生偏移，而不是直接到達材料的表面，如果裂縫穿過表面則是非常不希望看到的，裂紋會碰到另一個裂紋或者形成另一種延遲或完全防止失效的復合結構，與直裂紋相比，長而復雜的裂紋需要更多的能量來驅動其運動。”

 

科學家和工程師多年來一直致力于研制出具有類似天然材料一樣的輕質、塑性好和硬度高的而且無論是硬質和軟質組分還是不同類型的薄片組合的材料。

 

材料的剛度、韌性和強度對于工程師來說是非常重要的屬性。 強度是指材料在拉伸或壓縮時仍保持不變， 剛度是指材料抵抗變形的能力， 韌性是指材料發(fā)生塑性應變之前所承受的力量。the Rice工程師們曾在一片文章中根據已有參數繪制了一幅復合材料的性能的曲線圖。

Shahsavari說：“在模擬自然材料中增加裂紋引起的韌化是增韌的另一個有效增加額外防止實驗失敗的途徑。這些模型揭示了裂紋之間的協同作用。他們給我們展示出所要最佳性能材料需要的各種組合�！�

 

基線模型保證實驗中可有四個變量：特征薄板長度、基質的可塑性、薄片不相似比率（當涉及多于一種類型的薄板時）和薄板重疊偏移量，這些變量對于復合材料的性能都有著非常重要的影響。

 

Shahsavari說：“在超過400次的實驗中，我們發(fā)現這些因素中起決定性作用的可能是薄板長度。 結果表明，薄板長度對軟基質的塑性有很大的控制作用，而且薄板長度越長的塑性越差。 通過控制薄板長度可以使裂縫均勻分布并允許最大裂紋擴展，使材料更好地避免災難性故障。

 

這種模型也會幫助研究人員知道一個材料在受到一個突然的外加應力時，通過切換組元部分，利用比較薄片長度或者改變這種結構來判斷是否會發(fā)生類似陶瓷或部分金屬一樣的斷裂情況。