插图显示了一个模型血小板基质复合材料在前景和珍珠，自然最坚硬的材料之一，在背景。莱斯大学的研究人员开发了计算机模拟来解码天然材料，以指导合成多功能复合材料的研究。图片来源:Rice大学多尺度材料实验室
当设计模仿自然界中发现的层状复合材料时，材料的断裂方式可能是要考虑的最重要的特性。莱斯大学工程师的一种方法解码了材料和它们形成的结构之间的相互作用，可以帮助最大限度地提高它们的强度、韧性、刚度和断裂应变。
在一项需要400多台计算机模拟像珍珠母这样的血小板基质复合材料的研究中，大米材料科学家Rouzbeh Shahsavari和访问学者Shafee Farzanian开发了一种设计地图，以帮助合成任何规模的交错复合材料。从微电子到汽车再到航天器，轻量化、多功能的结构复合材料是关键。
该模型综合了各种血小板和基质成分的几何和性能，计算复合材料的强度、韧性、刚度和断裂应变。当用户寻求最佳psi时，改变任何结构或组合参数都会调整整个模型，从而量化其避免灾难性故障的能力。
研究显示在作者：王莹，中国力学力学与物理学报。
自然复合材料很常见。实例包括甲米（珍珠母），牙釉质，竹子和螳螂虾的DARTYL俱乐部，所有这些都是通过软矩阵材料连接的硬血小板的纳米级布置，并布置在重叠的砖和砂浆，布鲁匹或其他中建筑。
它们之所以有效，是因为坚硬的部分足够坚固，能够承受敲打，并且有足够的柔韧性(由于柔软的基体)，能够在整个材料中分布应力。当它们断裂时，它们通常能够分散或限制损伤而不会完全失效。
“轻质天然材料非常丰富，”Shahsavari说。“在这类材料中，会发生两种增韧。一个出现在裂纹扩展之前，当血小板相互滑动以减轻压力。另一个原因是这些材料的美丽之处:它们在裂纹扩展后变韧的方式。
“即使存在裂缝，它也不意味着失败，”他说。“裂缝可以在层之间被捕或偏转几次。代替将材料直接穿过材料，这是一种灾难性的失败，裂缝凸起进入另一层和曲折或形成延迟或完全防止失败的另一种复杂的图案。这是因为长而复杂的裂缝轨迹需要更多的能量来驱动它，与直裂缝相比。“
多年来，科学家和工程师们一直致力于通过软硬成分或不同血小板类型的组合来复制自然材料的轻、韧、强、硬特性。
对工程师来说，僵硬，韧性和强度是不同的特征。强度是拉伸或压缩时材料保持在一起的能力。刚度是材料抵抗变形的程度。韧性是材料在失败前吸收能量的能力。在上一篇论文中，米实验室创建了映射以预测基于裂缝传播之前的参数的复合材料的性质。
Shahsavari说，在天然和仿生材料中添加裂纹诱发增韧是另一个有效和有趣的增韧来源，它提供了额外的防御失败的防线。“这些模型揭示了裂纹前和裂纹后增韧现象之间非直观的协同效应，”他说。“他们向我们展示了什么样的架构和组件可以让我们结合各自的最佳属性。”
基线模型允许研究人员为每个模拟调整四个值:特征血小板长度、基质的可塑性、血小板不相似率(当涉及超过一种类型的血小板时)和血小板重叠偏移，所有这些对复合材料的性能都很重要。
Shahsavari说，在400次模拟过程中，该模型揭示了PSI最大的因素可能是血小板长度。它表明，短血小板很大程度上屈服于软矩阵的可塑性，而长血小板将其恢复。血小板长度均匀分布骨折并允许最大裂缝增长可以实现最佳PSI，使材料更好地避免灾难性故障。
该模型还将帮助研究人员设计一种使用对比血小板或改变架构的突然骨折，如陶瓷或缓慢地，如韧带金属，如韧带金属。
Shahsavari是土木和环境工程助理教授，是材料科学和纳米工程。
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