Inżynierowie z Princeton stworzyli twardszy materiał na bazie cementu, naśladując strukturę ludzkiej kości. W materiale zastosowano rurki kontrolujące propagację pęknięć, zwiększając odporność na uszkodzenia bez dodawania materiałów zewnętrznych. Ta innowacja może zaowocować mocniejszymi materiałami konstrukcyjnymi dla infrastruktury cywilnej.
Inżynierowie z Princeton stworzyli materiał na bazie cementu, czerpiąc inspirację z twardej zewnętrznej warstwy ludzkiej kości. Ta inspirowana biologią konstrukcja jest 5,6 razy bardziej odporna na uszkodzenia niż tradycyjne materiały, dzięki czemu jest lepiej odporna na pękanie i zapobiega nagłym awariom, co jest częstym problemem w przypadku konwencjonalnych, kruchych opcji na bazie cementu.
W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmie Zaawansowane materiałyzespół badawczy kierowany przez Rezę Moini, adiunkta w dziedzinie inżynierii lądowej i środowiska, oraz Shashanka Guptę, doktora trzeciego roku. kandydata, wykażą, że zaczyn cementowy nałożony w formie rurki może znacznie zwiększyć odporność na propagację pęknięć i poprawić zdolność do odkształcania się bez nagłej awarii.
„Jednym z wyzwań związanych z konstruowaniem kruchych materiałów budowlanych jest to, że ulegają one nagłemu i katastrofalnemu uszkodzeniu” – powiedział Gupta.
W kruchych materiałach konstrukcyjnych stosowanych w budownictwie i infrastrukturze cywilnej wytrzymałość zapewnia zdolność do przenoszenia obciążeń, natomiast wytrzymałość zapewnia odporność na pękanie i rozprzestrzenianie się uszkodzeń w konstrukcji. Proponowana technika rozwiązuje te problemy, tworząc materiał, który jest twardszy niż jego konwencjonalne odpowiedniki, zachowując jednocześnie wytrzymałość.
Znaczenie architektury wewnętrznej
Moini powiedział, że kluczem do ulepszeń jest celowe zaprojektowanie architektury wewnętrznej poprzez zrównoważenie naprężeń na czole pęknięcia z ogólną reakcją mechaniczną.
„Korzystamy z teoretycznych zasad mechaniki pękania i mechaniki statystycznej, aby ulepszyć podstawowe właściwości materiałów „z założenia”” – powiedział.
Inspiracją dla zespołu była ludzka kość korowa – gęsta zewnętrzna skorupa ludzkich kości udowych, która zapewnia siłę i jest odporna na złamania. Kość korowa składa się z eliptycznych elementów rurowych zwanych osteonami, słabo osadzonych w macierzy organicznej. Ta unikalna architektura odchyla pęknięcia wokół osteonów. Zapobiega to nagłym awariom i zwiększa ogólną odporność na propagację pęknięć, powiedział Gupta.
Inspirowany biologią projekt zespołu obejmuje cylindryczne i eliptyczne rurki w zaczynie cementowym, które oddziałują z rozprzestrzeniającymi się pęknięciami.
Interakcja pęknięć i mechanizm hartowania
„Można się spodziewać, że materiał stanie się mniej odporny na pękanie po zastosowaniu pustych rur” – powiedział Moini. „Dowiedzieliśmy się, że wykorzystując geometrię, rozmiar, kształt i orientację rury, możemy promować interakcję z rurką pękniętą w celu ulepszenia jednej właściwości bez poświęcania innej”.
Zespół odkrył, że taka ulepszona interakcja z rurką pękającą inicjuje stopniowy mechanizm hartowania, w którym pęknięcie jest najpierw wychwytywane przez rurkę, a następnie opóźniane w propagowaniu, co prowadzi do dodatkowego rozpraszania energii przy każdej interakcji i każdym etapie.
„To, co czyni ten stopniowy mechanizm wyjątkowym, polega na tym, że każde rozszerzenie pęknięcia jest kontrolowane, co zapobiega nagłej, katastrofalnej awarii” – powiedział Gupta. „Zamiast pękać od razu, materiał wytrzymuje postępujące uszkodzenia, dzięki czemu jest znacznie twardszy”.
Innowacyjne podejście do wytrzymałości i nieporządku
W przeciwieństwie do tradycyjnych metod wzmacniania materiałów na bazie cementu poprzez dodanie włókien lub tworzyw sztucznych, podejście zespołu Princeton opiera się na projektowaniu geometrycznym. Manipulując strukturą samego materiału, osiągają znaczną poprawę wytrzymałości bez potrzeby stosowania dodatkowego materiału.
Oprócz poprawy odporności na pękanie badacze wprowadzili nową metodę ilościowego określania stopnia nieuporządkowania, wielkości ważnej przy projektowaniu. W oparciu o mechanikę statystyczną zespół wprowadził parametry umożliwiające ilościowe określenie stopnia nieuporządkowania w zaprojektowanych materiałach. Umożliwiło to badaczom stworzenie ram liczbowych odzwierciedlających stopień nieuporządkowania architektury.
Naukowcy twierdzą, że nowe ramy zapewniają dokładniejszą reprezentację układu materiału, przechodząc w stronę widma od uporządkowanego do losowego, wykraczającego poza proste binarne klasyfikacje okresowe i nieokresowe. Moini powiedział, że w badaniu dokonano rozróżnienia od podejść, które mylą nieregularność i zakłócenia z zaburzeniem statystycznym, takich jak metody teselacji i zaburzeń Woronoja.
„To podejście daje nam potężne narzędzie do opisywania i projektowania materiałów o dostosowanym stopniu nieuporządkowania” – powiedział Moini. „Stosowanie zaawansowanych metod wytwarzania, takich jak wytwarzanie przyrostowe, może w jeszcze większym stopniu sprzyjać projektowaniu bardziej nieuporządkowanych i korzystnych mechanicznie konstrukcji oraz umożliwiać zwiększanie skali projektów rurowych w przypadku elementów infrastruktury cywilnej wykonanych z betonu”.
Zespół badawczy opracował również niedawno techniki pozwalając zapewniają dużą precyzję dzięki zastosowaniu robotyki i wytwarzania przyrostowego. Mają nadzieję, że dzięki zastosowaniu ich w nowych architekturach oraz kombinacjach twardych i miękkich materiałów w rurach możliwe będzie dalsze poszerzenie możliwości zastosowań w materiałach konstrukcyjnych.
„Dopiero zaczęliśmy badać możliwości” – powiedział Gupta. „Istnieje wiele zmiennych do zbadania, takich jak zastosowanie stopnia zaburzenia do rozmiaru, kształtu i orientacji rurek w materiale. Zasady te można zastosować do innych kruchych materiałów, aby skonstruować konstrukcje bardziej odporne na uszkodzenia”.
Odniesienie: „Twardy, inspirowany kośćmi korowymi materiał na bazie cementu o strukturze rurowej z zaburzeniami”, Shashank Gupta i Reza Moini, 10 września 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202313904
Projekt finansowany był z nagrody CAREER Award (2238992) przyznanej przez National Science Foundation oraz grantu CMMI Division Grant (ECI, 2129566).
