研究人员解除了血小板矩阵复合材料的机制

硬血小板 - 软矩阵复合材料的雷达曲线图，如顶部的一个，显示了每个输入的值改变了材料的强度，应变，韧性和刚度。在此绘图中，垂直数字表示沿强度轴的值。点击图像查看大图。由多尺度材料实验室提供

在设计模仿本质上的分层复合材料时，物质破坏如何是最重要的财产。赖斯大学工程师的方法对材料与它们形成的结构之间的相互作用进行了解码，并且可以帮助最大化它们的强度，韧性，刚度和断裂菌株。

在一项研究中，需要超过400台计算机模拟的血小板综合材料，如珍珠母母珍珠，水稻材料科学家Rouzbeh Shahsavari和访问学者Shafee Farzanian开发了一种设计地图，以帮助在任何规模上合成应用程序的交错复合材料，从微电子到汽车到航天器，其中轻量级，多功能结构复合材料是关键。

该模型集成了各种血小板和基质组分的几何和性质，以计算复合材料的强度，韧性，刚度和断裂菌株。改变任何架构或组成参数调整整个型号，因为用户寻求最佳PSI，量化其避免灾难性失败的能力。

该研究出现在固体力学和物理学杂志。

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。

他们的工作是因为硬部件足够强大，以便足够击打和灵活（由于软矩阵）来分配整个材料的应力。当它们骨折时，它们通常能够在不完全失败的情况下分配或限制损坏。

“轻巧的天然材料丰富，”沙沙瓦说。“在这些类型的材料中，两种增韧发生。在裂缝繁殖之前，当血小板彼此滑移以缓解压力时。另一个是这些材料的美丽的一部分：在裂缝繁殖后它们变硬的方式。

“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。“

科学家和工程师多年来努力复制天然材料的光，坚韧，强硬和坚固的性能，无论是用旧的和软组件还是不同血小板类型的组合。

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。

例证在背景中显示了前景和珍珠铁夫的模型血小板矩阵复合材料，其中一体的最艰难的材料，在背景中。由多尺度材料实验室提供

Shahsavari说，在天然和仿生材料中添加了裂缝引起的增韧，是另一种强化和更有趣的增韧来源，为失败提供额外的防御。“模型在裂变前后增韧现象和破裂前后的非线性协同作用，”他说。“他们向我们展示了哪些架构和组件允许我们将每个的最佳属性结合起来。”

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，血小板异化比（当涉及多种类型的血小板时）和血小板重叠偏移，所有这些都很重要复合物业。

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。

国家科学基金会和大米的民用和环境工程系支持了该研究。超级计算资源由国家卫生研究所和IBM与思科，QLogic和Adaptive Computing合作的IBM共享大学研究奖，以及由该中心管理和与其合作伙伴关系管理的大米国家科学基金会支持的Davinci SuperComputer。赖斯肯肯尼迪信息技术研究所。

出版物：Shafee Farzanian＆Rouzbeh Shahsavari，“在血小板 - 基质复合材料的力学中映射结构和材料的耦合作用，”2017年固体力学和物理学“; DOI：10.1016 / J.JMPS.2017.11.020