Une illustration montre un modèle composite plaquettaire-matrice au premier plan et de la nacre, l'un des matériaux les plus résistants de la nature, en arrière-plan. Les chercheurs de l'Université Rice ont développé des simulations informatiques pour décoder les matériaux naturels afin de guider la recherche sur les composites multifonctionnels synthétiques. Crédit :Laboratoire des matériaux multi-échelles/Université du riz
La façon dont un matériau se brise peut être la propriété la plus importante à prendre en compte lors de la conception de composites en couches qui imitent ceux que l'on trouve dans la nature. Une méthode des ingénieurs de l'Université Rice décode les interactions entre les matériaux et les structures qu'ils forment et peut aider à maximiser leur résistance, dureté, rigidité et déformation à la rupture.
Dans une étude qui a nécessité plus de 400 simulations informatiques de matériaux composites à matrice plaquettaire comme la nacre, Le scientifique des matériaux de riz Rouzbeh Shahsavari et le chercheur invité Shafee Farzanian ont développé une carte de conception pour aider à la synthèse de composites décalés pour des applications à n'importe quelle échelle, de la microélectronique aux voitures en passant par les engins spatiaux, où léger, les composites structurels multifonctionnels sont essentiels.
Le modèle intègre les géométries et les propriétés de divers composants plaquettaires et matriciels pour calculer la résistance du composite, dureté, rigidité et déformation à la rupture. La modification de tout paramètre architectural ou de composition ajuste l'ensemble du modèle à mesure que l'utilisateur recherche le psi optimal, une quantification de sa capacité à éviter une défaillance catastrophique.
La recherche apparaît dans le Journal of Mechanics and Physics of Solids .
Les composites naturels sont courants. Les exemples incluent la nacre (nacre), émail dentaire, le bambou et les massues dactyles de la crevette mante, qui sont tous des arrangements à l'échelle nanométrique de plaquettes dures reliées par des matériaux matriciels souples et disposées en brique et mortier superposées, bouligand ou autres architectures.
Ils fonctionnent parce que les parties dures sont suffisamment solides pour supporter les coups et suffisamment flexibles (en raison de la matrice molle) pour répartir les contraintes dans tout le matériau. Quand ils se cassent, ils sont souvent capables de répartir ou de limiter les dégâts sans échouer complètement.
"Les matières naturelles légères sont abondantes, " a déclaré Shahsavari. " Dans ces types de matériaux, deux types de durcissement se produisent. On vient avant la propagation des fissures, lorsque les plaquettes glissent les unes contre les autres pour soulager le stress. L'autre fait partie de la beauté de ces matériaux :la manière dont ils durcissent après propagation des fissures.
Un tracé radar d'un composite à matrice plaquettaire-molle comme celui du haut montre comment la modification des valeurs de chaque entrée modifie la résistance du matériau, souche, ténacité et rigidité. Dans cette parcelle, les nombres verticaux représentent les valeurs le long de l'axe de force. L'intrigue est le produit d'un modèle élaboré par les scientifiques des matériaux de l'Université Rice qui ont déclaré qu'il aiderait à la création de nouveaux matériaux synthétiques qui imiteraient les composites les plus résistants de la nature. Les chercheurs ont déterminé que la longueur de la plaquette est le facteur le plus critique dans la capacité du composite à résister aux fractures catastrophiques. Crédit :Laboratoire des matériaux multi-échelles/Université du riz
"Même quand il y a une fissure, cela ne signifie pas un échec, " dit-il. " La fissure peut être arrêtée ou déviée plusieurs fois entre les couches. Au lieu de traverser directement le matériau jusqu'à la surface, qui est un échec catastrophique, la fissure heurte une autre couche et zigzague ou forme un autre motif complexe qui retarde ou empêche entièrement la défaillance. En effet, une trajectoire de fissure longue et complexe nécessite beaucoup plus d'énergie pour la conduire, par rapport à une fissure droite."
Les scientifiques et les ingénieurs ont travaillé pendant des années pour reproduire la lumière, dure, propriétés solides et rigides des matériaux naturels, soit avec des composants durs et mous ou des combinaisons de différents types de plaquettes.
Aux ingénieurs, raideur, la ténacité et la résistance sont des caractéristiques distinctes. La force est la capacité d'un matériau à rester ensemble lorsqu'il est étiré ou comprimé. La rigidité est la capacité d'un matériau à résister à la déformation. La ténacité est la capacité d'un matériau à absorber l'énergie avant la rupture. Dans un article précédent, le laboratoire Rice a créé des cartes pour prédire les propriétés des composites en fonction de ces paramètres avant la propagation des fissures.
L'ajout d'une trempe induite par fissure dans les matériaux naturels et biomimétiques, Shahsavari a dit, est une autre source puissante et intéressante de renforcement qui fournit des lignes de défense supplémentaires contre l'échec. « Les modèles ont mis en évidence des synergies non intuitives entre les phénomènes de trempe avant et après fissure, ", a-t-il déclaré. "Ils nous ont montré quelles architectures et quels composants nous permettraient de combiner les meilleures propriétés de chacun."
Le modèle de base a permis aux chercheurs d'ajuster quatre valeurs pour chaque simulation :longueur caractéristique des plaquettes, plasticité de la matrice, le taux de dissemblance plaquettaire (lorsque plusieurs types de plaquettes sont impliqués) et le décalage de chevauchement plaquettaire, qui sont tous importants pour les propriétés du composite.
Au cours de 400 simulations, le modèle a révélé que le facteur le plus important en psi peut être la longueur des plaquettes, dit Shahsavari. Il a montré que les plaquettes courtes cèdent largement le contrôle de la rupture à la plasticité de la matrice molle, tandis que les longues plaquettes le reprennent. Des longueurs de plaquettes qui répartissent uniformément la fracture et permettent une croissance maximale des fissures peuvent atteindre le psi optimal et rendre le matériau mieux à même d'éviter une défaillance catastrophique.
Le modèle aidera également les chercheurs à déterminer si un matériau échouera en cas de rupture soudaine, comme la céramique, ou lentement, comme les métaux ductiles, en commutant des composants, en utilisant des plaquettes contrastées ou en changeant l'architecture.
Shahsavari est professeur adjoint de génie civil et environnemental et de science des matériaux et nano-ingénierie.
