Förbättrad mekanisk prestanda för bioinspirerade hybridstrukturer med hjälp av topologisk sammankopplande geometri | vetenskapliga rapporter

Förbättrad mekanisk prestanda för bioinspirerade hybridstrukturer med hjälp av topologisk sammankopplande geometri | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Bioinspirerade material
  • Composites

Abstrakt

Strukturkompositer inspirerade av nacre har framkommit som främsta exempel för vägledande materialdesign av sprickbeständiga, styva hybridmaterial. Den komplicerade mikrostrukturen i nacre, som kombinerar en hård majoritetsfas med en liten fraktion av en mjuk fas, uppnår överlägsna mekaniska egenskaper jämfört med dess beståndsdelar och har genererat stort intresse. Men att replikera den hierarkiska mikrostrukturen för nacre är mycket utmanande, för att inte tala om att förbättra den. I den här artikeln föreslår vi att förändra geometri för de hårda byggstenarna genom att introducera begreppet topologisk sammankoppling. Denna designprincip har tidigare visats ge ett naturligt skört material med en anmärkningsvärd böjningsöverensstämmelse. Vi demonstrerar nu att genom att kombinera grundläggande arkitektur av nacre med topologisk sammanlåsning av diskreta hårda byggstenar kan hybridmaterial av en ny typ produceras. Genom att lägga till en mjuk fas vid gränssnitten mellan topologiskt sammankopplade block i en tillverkningsprocess med en enda tillsats, uppnås ytterligare förbättring av mekaniska egenskaper. Utformningen av dessa tillverkade hybridstrukturer har styrts av beräkningsarbeten för att belysa effekten av olika geometrier. Så vitt vi vet är detta den första rapporterade studien som kombinerar fördelarna med nacreinspirerade strukturer med fördelarna med topologisk sammankoppling.

Introduktion

Många naturliga eller biologiska strukturella material är kompositer eller hybridstrukturer 1 med enastående mekaniska egenskaper, som överraskande ofta uppnås på grund av närvaron av relativt svaga beståndsdelar 2 . De resulterande materialen är också anmärkningsvärda med avseende på effektiv användning av tillgängliga resurser, möjliggjorda genom utvecklingsprocessen. Faktum är att många biologiska system har mekaniska egenskaper som långt överträffar de som gjorts av konstgjorda material 3 och har ofta fungerat som en inspiration för materialingenjörer i deras strävan efter nya material 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 . Några "klassiska" exempel på strukturella naturmaterial inkluderar trä 11, bambu 12, ben 13 och skal från vissa blötdjur 14 .

Nyckeln till de biologiska materialens enastående prestanda tros ligga i form och rumsarrangemang av deras beståndsdelar och den hierarkiska naturen hos dessa kompositer 15 . I synnerhet är det den komplexa hierarkiska arkitekturen som dessa material har över skalor med flera längder som ger upphov till de exceptionella funktionaliteter som observerats i naturen. Ett sådant exempel är nacre, den iriserande pärlemoren, som finns på det inre skalet hos vissa blötdjur, vilket har väckt mycket intresse från materialforskare på grund av dess exceptionella mekaniska egenskaper 16, 17, 18 . Medan nacre nästan helt består av aragonit, en mycket sprött keramik, visar den en unik kombination av styvhet, styrka, hårdhet och spridningsförmåga. Kärnan i detta beteende är mikroarkitekturen i nacre: en tegel-och-murbrukliknande struktur som består av polygonala aragonitplättar som bildar en lamellstruktur (95 viktprocent) med ett mjukt, viskoelastiskt organiskt protein (5 viktprocent) som binder lamellerna tillsammans 19 .

Trots överlägsenheten av aragonit i dess struktur är nacre 3000 gånger tuffare än monolitisk aragonit 20, vilket indikerar att detta beteende beror på nacres sammansatta natur och arkitektur, snarare än egenskaperna hos majoritetskomponenten. Under det senaste decenniet identifierades olika strukturella drag som bidragsgivare till segheten i nacre, inklusive nano-asperities och mikroskala vågligheten på trombocyterna, bland annat 16, 21, 22, 23, 24 . Det som har framkommit från dessa studier är att den rumsliga anordningen av elementen i nacre-strukturen är avgörande för dess enastående mekaniska egenskaper. Under belastning genererar dessa strukturer progressiv låsning av glid mellan de intilliggande blodplättarna, vilket orsakar härdning och härdning av strukturen 23, 25, 26 . Många exempel på att efterlikna olika aspekter av nacre-strukturen (och de av andra naturliga material) vid syntes av konstruerade material har rapporterats 9, 17, 19, 27, 28, 29, 30, 31, 32, mest med mycket uppmuntrande resultat. I det här arbetet kommer vi att kombinera materialdesignkoncept inspirerade av nacre-liknande strukturer med det relativt nya konceptet med topologisk sammankoppling, vilket breddar designutrymmet.

Topologisk sammankoppling 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 har föreslagits som en ny metod för att skapa arkitekturmaterial. Detta koncept bygger på att segmentera en monolitisk struktur i specifikt formade elementära block, som begränsas i sin rörelse av de angränsande elementen. Det är ett särdrag hos topologisk sammankoppling som inte bara ett plan utan också rörelse utanför planet hindras av dess grannar. Som en konsekvens behövs inga kontakter eller bindemedel för att hålla blocken på plats. Dessa enheter kräver endast en global begränsning, såsom en yttre ram, spända trådar som passerar genom blocken, eller hörnfästena, för att bibehålla den totala strukturen. Flera blockgeometrier som möjliggör topologisk sammanlåsning har identifierats 38 .

Dyskin, Estrin och kollegor har visat att vissa konvexa polyedra, särskilt alla fem platoniska kroppar (tetrahedron, kub, oktaedron, dodekedron och icosahedron), såväl som deras derivat, möjliggör topologisk sammankoppling 33, 34, 46 . Väsentliga studier på plattor sammansatta från tetrahedronformade element har genomförts 47, 48, 49, med styvhetsskalningsförhållanden etablerade 50 och trycklinjemodeller utvecklade för att beskriva mekaniskt beteende hos sådana enheter 51 . Detta koncept har vidareutvecklats för att inkludera byggstenar med icke-plana ytor 52 . Dessa låsbara block har speciellt konstruerade geometrier med matchande konkavokonvexa ytor. De kallas osteomorfa på grund av deras likhet med formen på ett ben (Fig. 1d). Denna form utvecklades matematiskt och måste uppfylla vissa krav på periodicitet och symmetri; en sådan funktion som beskriver de krökta kanterna på ett block är kosinusfunktionen (med en 90 ° förskjutning av argumentet i motsatt kant), som används i detta arbete.

( a ) rektangel eller standard tegel som används som referens i de tryckta tegel- och murbrukstrukturerna; ( b ) "timglas" och ( c ) "slät honungskaka" representerar de två motsatta ytorna på det osteomorfa blocket som visas i ( d ). Storleken på varje avbildat element är 6, 25 mm i längd och 3, 125 mm i bredd, men de fysiska dimensionerna kan väljas godtyckligt, eftersom egenskapen att låsa samman är storleksoberoende. Observera att tvärsektionerna av blocken i figurerna ( b, c ) inte ändras längs riktningarna som är normala för ytorna. Församlingar baserade på dessa geometrier benämns därför tvådimensionella. Däremot förvandlas tvärsnittet av det osteomorfa blocket ( d ) längs den normala riktningen mot dess yta: en vapen vid framsidan motsvarar ett minimum vid baksidan. Formen som presenteras i ( d ) ger strukturen den tredimensionella funktionen som är avgörande för dess mekaniska prestanda.

Bild i full storlek

Topologisk sammankoppling möjliggör en viss begränsad rörelse av elementen relativt varandra medan den ger strukturell stabilitet. Detta säkerställer att strukturen är mer kompatibel än en monolitisk och också kan absorbera vibrationsenergi, som sprids av friktionsförluster 39 . Som en tydlig demonstration av toleransen för topologiskt sammanlänkade material gentemot lokala misslyckanden har Molotnikov et al . 36 visade att de kan upprätthålla strukturell integritet tills så många som ungefär 25% av elementen misslyckas slumpmässigt. I själva verket förbättras enheternas motstånd mot borttagning eller förskjutning av ett element på grund av motsatta lutningar på ytorna på angränsande block, medan upptrappning av lokal skada på en katastrofisk spricka inte inträffar, eftersom en spricka som utvecklas inom ett block inte kan sprida sig utanför dess gräns.

Konceptet att dela upp en monolitisk struktur i en uppsättning av diskret topologiskt sammankopplade element representerar en mycket lovande väg för konstruktion av konstruktionsmaterial. Även om tanken på segmentering är inspirerad av de biologiska materialen, är begreppet topologisk sammankoppling inte direkt motiverad av naturen, och det har inte heller observerats i levande organismer. Den närmaste analogien som finns i naturen är suturen av rödörda skjutsköldpaddan 53, men dess interdigiterade särdrag är inte av det slag som diskuteras i samband med osteomorfa eller polyhedrala baserade sammankopplingsaggregat. Det har observerats 54 att naturliga system har utvecklats för att uppfylla mycket specifika "designkriterier", vilket ges av deras distinkta och ofta unika förhållanden. Som sådan bör förståelse och användning av strukturella mekanismer för dessa system vara mer givande för materialforskning än direkt replikering av dessa system med användning av syntetiska beståndsdelar. Det är inom detta sammanhang som möjligheten att utforska potentialen att förbättra mönster som finns i naturen genom att förstärka den med de konstgjorda topologiska sammankopplade strukturerna verkar spännande.

I detta arbete kombinerar vi principen om topologisk sammankoppling med begreppet bioinspirerad design och förverkligar de syntetiska strukturer som sålunda uppfattats genom att använda 3D-tryckteknik. Detta tillåter integration av flera material med mycket kontrasterande mekaniska egenskaper i en hybridstruktur i en enda byggnad. Tidigare arbete inom detta område har huvudsakligen fokuserat på strukturer för vilka formen av de enskilda elementen inte varierade i den riktning som är normal för monteringsplanet, väsentligen tvådimensionella studier 55, 56, 57, 58, 59 . Det nuvarande arbetet utökar dessa koncept genom att använda byggstenar med mer komplexa geometrier, vilket möjliggör formvariation i den riktning som är normal för det planet. Denna tredimensionella osteomorfa blockgeometri erbjuder sig själv som en grund för en sådan design, eftersom de nämnda fördelarna med topologisk sammankoppling kan bidra till de attraktiva egenskaperna hos naturliga nacre. I detta sammanhang bör det nämnas att en tessellation av en massiv platta i en uppsättning osteomorfa block liknar mönstret i vilket aragonitplättar är anordnade i nacre. Dessutom 'arktitytan' naturliga ytvågighet som skapar en enkel form av mekanisk låsning 'förstärks' i de konkavo-konvexa kontaktytorna i en sammansättning av osteomorfa block. Nedan rapporterar vi resultaten från experimentella undersökningar av det mekaniska beteendet hos de nya topologiska sammankopplingsstrukturerna tillverkade av additiv tillverkning. Resultaten av beräkningsarbetet som utförs för att stödja experimenten och belysa det mekaniska svaret från de nacreinspirerade strukturerna med topologiskt sammanlänkade hårda byggstenar presenteras också.

Resultat

Fyra huvudgeometrier valdes för testning (fig. 1). Tegel-och-murbrukskonstruktionen (fig. La) som emulerar nacre användes som en referens på grund av det senaste intresset det har samlat 26 . Emellertid var huvudfokusen för denna studie på effekten av tredimensionell sammanlåsning som erbjuds av den osteomorfa designen (Fig. 1d). För att verifiera förmågan hos 3D-konstruktion av ett byggsten att förbättra mekaniska egenskaper hos aggregatet, utvecklades också två andra typer av blockformer, baserade på ytprofilerna på de två motsatta ytorna på det osteomorfa blocket. Dessa modifierade block har samma tjocklek och geometri för de böjda kontaktytorna som de osteomorfa blocken, men varierar från dem med avseende på bredd. De två betraktade varianterna benämns "timglas" (fig. 1b) och "slät honungskaka" (fig. 1c). Byggstenens dimensioner hölls konstant över exemplar, med ett bildförhållande på cirka 2, 9. Det är viktigt att notera att de valda dimensionerna inte återspeglar aspektförhållandena och styva till mjuka volymfraktionsförhållanden som finns i nacre, och inte heller är de i fokus för detta arbete. Medan andra arbeten har tagit upp optimeringen av dessa parametrar 60, 61, koncentrerades den nuvarande studien på formen av de styva blocken som ett medel för att förbättra den mekaniska prestandan hos aggregatet över nacre-strukturen sett som en referens.

Mode I-frakturstester utfördes på 3D-tryckta prover (fig. 2) som kombinerar de styva (VW +) och de mjuka (TB +) materialen, på ett nacre-liknande sätt. (Förkortningarna VW + och TB + står för de egna namnen på Stratasys-polymererna VeroWhitePlus och TangoBlackPlus som används i 3D-tryckning av de betraktade strukturerna.) I huvudsak representerade dessa tester uniaxial dragbelastning av hackade prov. Geometrien för de testade enheterna motiverades av arbetet av Dimas et al . på tegel och murbruk och relaterade tvådimensionella bioinspirerade strukturer 55 . Det nya elementet i denna studie var den speciellt utformade formen av de hårda blocken som beskrivs ovan. Detaljerna för utskriftsprocessen och de använda materialen anges i avsnittet Metoder.

Provernas mått är 64, 75 mm × 58, 5 mm med en tjocklek av 3, 125 mm. Volymfraktionen för den mjuka fasen är ungefär 13, 5 ± 0, 1% för alla prover. ( a ) tegel- och murbrukprov, som representerar en förenklad nacre-struktur; ( b, c ) "timglas" och "släta honungskakor" -prover: respektive motiv för ytmontering av dessa prover motsvarar de två motsatta ytorna av ett osteomorf block, som ses i fig. 1d. Mer information om proverna ges i metoder. Observera att provet bestående av sammanlagrade, varandra låsta osteomorfa block, som också testades, inte visas, eftersom det verkar vara identiskt med proverna i ( b, c ) beroende på vilken sida som visas.

Bild i full storlek

Mekanisk testning av dessa prover gav mycket fördelaktiga resultat (fig. 3). Spänningstöjningskurvorna för de testade geometrierna visar en överlägsen mekanisk prestanda för den osteomorfa konstruktionen jämfört med den för den enkla tegel-och-murbruk (fig. 2a) eller nacelliknande prover (fig. 2b, c). Timglasglasgeometri-resultaten visar också en stor ökning av toppspänningen. Det bör noteras att våra resultat för tegel- och murbrukstruktur är i rimligt överensstämmelse med de som tidigare rapporterats, med tillägg för skillnader i experimentförfarandet och bildförhållandena för styva element 55 . Timglas och osteomorfa prover uppvisar mycket liknande värden på toppspänning. Detta antyder att samverkan i lasten i timglasaggregatet (längs blockens långa axel) är den dominerande mekanismen som leder till en hög toppspänning. I själva verket förhindrar samverkan av timglasglasblocken i denna orientering glidningen av blocken på ett liknande (om än inte identiskt) sätt för att låsa de osteomorfa blocken.

Denna kurva illustrerar ökningen i toppspänning, belastning vid misslyckande och modulus för seghet hos det osteomorfa provet jämfört med tegel- och murbrukstrukturen. Effekten av den höga toppbelastningen verkar vara förknippad med sammanlåsning, eftersom den är störst för "timglaset" och "osteomorfa" fallen - båda involverar förregling.

Bild i full storlek

Såsom framgår av fig. 3 uppvisar den osteomorfa strukturen en överlägsen prestanda (nästan fördubbling av både toppspänningen och förlängningen till misslyckande) jämfört med mur- och murbrukstrukturen. Figur 4 visar en kurva av modulus av seghet (mätt med området under spänning-töjningskurvan) kontra toppspänning. Det ses att aggregaten tillverkade av osteomorfa block uppvisar förbättring både i seghetmodul och toppspänning jämfört med den traditionella tegel- och murbrukskonstruktionen.

Fördubbling av både modulus för seghet och toppspänning uppnådd med den osteomorfa geometri ses. Förbättring av båda karakteristiska egenskaperna på grund av den osteomorfa designen markeras med pilen.

Bild i full storlek

Frakturvägarna i de testade proverna visas i fig. 5. Dessa bilder avslöjar att felytor av osteomorf, tegel och murbruk och släta bikakestrukturer följer en liknande sprickväg. Detta antyder att sprickvägen inte är den enda faktorn i det förbättrade seghetsmodulet hos det osteomorfa provet, eftersom de mekaniska responserna för dessa konstruktioner varierar avsevärt. Dessa sprickmönster är relativt enkla jämfört med dem i naturliga nacre, med mindre riktningsförändringar eller sicksack, som man kan förvänta sig av det lägre bildförhållandet för byggstenarna i våra syntetiserade strukturer.

för (a) tegel och murbruk, (b) slät honungskaka, (c) timglas, ( d ) osteomorfisk - timglas sida, (e) osteomorfisk - slät honungskaka sida. Bilderna representerar de fyra ungefärliga sprickstegen i) initialtillstånd, ii) sprickinitiering, iii) sprickutbredning, iv) misslyckande. Områden med stressdelokalisering observeras i alla prover utom ( c ). Av särskild anmärkning är dessa områden som observerats i testet steg ii). Skillnader i sprickväg observeras också i steg iv) för alla prover utom ( c ).

Bild i full storlek

Delokalisering av spänning runt sprickspetsen observerades i alla prover (fig. 5), med undantag för timglasformen med dess konkava geometri. Timglasformen kan inte ge motstånd mot koncentrationen av dragspänningen runt det tunna midjan i ett block, vilket leder till att dessa block blockeras tidigt (styv fas). I själva verket observerades misslyckande genom den mjuka fasen snarare än gränssnittet mellan de mjuka och styva faserna (delaminering) för alla prover, med undantag för timglasets geometri.

Beräkningsarbete genomfördes för att få en kvalitativ insikt i några av de observerade experimentella resultaten och de involverade mekanismerna. Tredimensionella simuleringar av begränsade element genomfördes för att undersöka spänningsfördelningen i området kring sprickinitieringsstället, eftersom det var av särskilt intresse för provets mekaniska prestanda (fig 6). Detta kritiska område fokuserade på två geometrier som uppvisar sammankopplingsfunktioner, nämligen. timglas och osteomorf. Räckvidden för detta arbete var inte att simulera den faktiska experimentella testen exakt, utan snarare att få kvalitativ inblick i spänningsfördelningarna i ensembler av sammanlänkade block i de initiala stadierna av experimentell testning, dvs vid början av sprödbrott i timglasprovet. Detta uppnåddes genom att applicera en dragbelastning med en storlek som liknar den belastning vid vilken sprött brott inträffade experimentellt i timglasets geometri (innefattande en förskjutning på ungefär 1 mm), på en hackad plan enhet av sammankopplade block från runt sprickinitieringsstället (a region markerad i Fig. 6a – c). Den mjuka fasen inkluderades inte i simuleringarna, eftersom det primära fokuset för det numeriska arbetet var begränsat till analysen av spänningsfördelningar runt det potentiella sprickinitieringsstället, vilket ledde till sprött brott i timglasaggregat men inte i osteomorfa. Den senare misslyckades genom den mjuka fasen, eftersom spänningskoncentrationszonen begränsades till en liten volym vid kanten av ett block, se nedan. På grund av avsaknaden av adekvata modeller i denna skala, särskilt för den mjuka fasen, var simulering av de mekaniska svaren på hybridmaterialen utanför ramen för detta arbete och kommer att bli föremål för framtida forskning. Elementen modellerades som linjära elastiska material med en elastisk modul E = 1, 8 GPa och Poissons förhållande v = 0, 39, härledd från tidigare försöksarbete 62 . Friktionskoefficienten mellan blocken inställdes på μ = 1, 0 för att emulera den "klibbiga" effekten av den mjuka, elastomera matrisen. Simuleringarna fortsatte inte till scenen med sprickutbredning där den sammanhängande effekten av den mjuka fasen är dominerande. Denna höga friktionskoefficient verkar sålunda för att ungefärliga den initiala relativa rörelsen hos de styva elementen.

( a ) initialt tillstånd för experimentellt prov med sprickinitieringsstället markerat med rött, experimentellt sprickinitieringsställe för timglas ( b ) och osteomorfa ( c ) prover före sprött brott ( d ) och osteomorfa ( e ) prover med centralt element markerat i rött, FEA-simuleringar som visar von Mises ekvivalenta spänningsfördelning för ett centralt element vid sprickspetsen för timglas ( f ) och osteomorfa ( g ) geometrier. Dessa bilder illustrerar områdena för spänningskoncentration för de två geometrierna med låsningsfunktioner. Spänningskoncentrationen i timglasblocket ( f ) sträcker sig genom hela provets djup vilket resulterar i dess spröda misslyckande. Det osteomorfa blockets ( g ) 3D-natur begränsar spänningskoncentrationen till den ena sidan av blocket, vilket minskar sannolikheten för spridningsutbredning genom den styva fasen.

Bild i full storlek

Fördelningarna av von Mises ekvivalenta spänning presenteras för elementet framför den inledande sprickspetsen som markeras i fig. 6f, g. Figuren illustrerar förekomsten av spänningskoncentration runt elementets centrala region. För samma nivå av förskjutning av lastramen har de maximala spänningarna som utvecklas i timglasblocket (fig. 6f) och i ett osteomorf block (fig. 6g) visat sig vara nästan identiska (109 MPa). Huvudskillnaden som observeras mellan de två geometrierna är emellertid att spänningarna sprids genom timglaselementets djup, medan spänningarna i ett osteomorf block blockeras på ena sidan eller kanten av elementet, jfr. Figur 6. Detta verkar vara det troliga skälet till större motstånd hos den hårda fasen i den osteomorfa enheten mot sprött brott, uppnådd genom att främja misslyckande genom den mjuka fasen. Figur 6e visar större lokalisering av spänning vid nackregionen hos de osteomorfa elementen jämfört med timglasglaset (fig. 6d). Det är viktigt att notera att dessa spänningar inte sprider sig genom djupet i de osteomorfa blocken och är i stället begränsade till ett litet område vid kanten av blocken, vilket verkar inte kunna ge upphov till sprött brott. Ytterligare beräkningsarbete för att underbygga detta förslag behövs. Detta skulle kräva implementering av en adekvat fullskalig tredimensionell konstitutiv modell med både hårda och mjuka faser, en som står för skadautvecklingen i båda faserna och för närvarande håller på att utvecklas. Mer information om beräkningsarbetet finns i avsnittet Metoder.

Konstruktionerna som presenteras i detta arbete har en större grad av sammanlåsning mellan de hårda fasblocken än de som observerats i nacre 26 . Som nämnts ovan ger vågheten hos aragonit-blodplättytorna upphov till en viss nivå av mekanisk sammankoppling. "Vågigheten" i de topologiskt sammanlåsbara blocken är huvudsakligen av en annan typ. För det första är det ett inneboende element i strukturen som ger periodisk tessellering av en platta i diskreta block och säkerställer dess mycket integritet. För det andra har den en mycket större amplitud än den oregelbundna vågenheten hos aragonitplättarna i nacre-strukturen. Det bör noteras att storleken på underskottet av de parande osteomorfa blocken kan varieras utan att förändring av topologin för sammanlåsning. Våra resultat tyder starkt på att den osteomorfa designens överlägsna prestanda är relaterad till denna specialiserade blockgeometri. De krökta kontaktytorna hos blocken, särskilt de konkavo-konvexa ytorna på de osteomorfa, och den periodiska naturen hos deras arrangemang resulterar i tjockare och tunnare delar av blocken som vetter mot varandra på deras motsatta sidor, vilket hjälper till att motstå för tidigt sprick. I huvudsak bibehålls den fördelaktiga effekten av 2D-plan-låsning av svetsstjärna (som finns i naturliga nacre) 56 eller timglas-geometrier i 3D-sammanlåsningsenheter, med en ytterligare fördel med att låsa sig i den riktning som är normal till monteringsplanet. Det är viktigt att blockgeometriens 3D-natur hämmar sprick i den styva fasen och främjar felutveckling genom den mjuka fasen, vilket förbättrar den totala seghetens modul.

Barthelat 26 noterade att kontroll av ett antal variabler (inklusive blockvågighet och tjocklek hos panelen) i enkla sammanlåsta nackliknande strukturer var nödvändig för att balansera motståndskraftiga dragkraft och tryckkrafter inom styva element, vilket således hindrar tidigt sprick i den styva fasen. Detta spröda fel bör tydligt undvikas, och 3D-blockgeometrierna som beskrivs i detta arbete ger en möjlighet att göra det. Detta ger nya möjligheter att utvidga materialens utrymme på grund av fördelarna med en hög grad av sammanlåsning (hög toppspänning), medan "kanalisering" -fel in i den mjuka fasen och därmed uppnår stora stammar vid fel.

Det är också värt att notera att medan i läge I-sprickprovning, topologiskt sammankopplade strukturer överträffade de mer traditionella, kan en liknande eller till och med högre förbättringsnivå förväntas i andra fellägen. Exempelvis kan förmågan hos osteomorfa strukturer att stödja laster som är normala för monteringsplanet på grund av 3D-sammanlåsning rimligen förväntas överträffa mur- och murbrukstrukturerna, och sådant fördelaktigt beteende har redan rapporterats i tidigare arbete av vår grupp 42 . Ytterligare förbättring av mekaniskt svar i alla deformeringssätt kan vara möjligt genom blockgeometrioptimering, och detta är en del av våra pågående undersökningar.

Slutsats

Den aktuella studien handlade om att undersöka effekten av topologisk sammankoppling av hårda block på den mekaniska prestanda för nacre-inspirerade material. Våra resultat visar att genom att kombinera ett biomimetiskt tillvägagångssätt med begreppet topologisk förgrening kan man få hybridstrukturer med överlägsna mekaniska egenskaper. Styrkan hos den föreslagna lovande designen validerades genom experimentella resultat erhållna under Mode I-frakturstestning (hackad dragprovning). Tillsatsstillverkning användes som möjliggörande teknik för att skapa hybridstrukturer innefattade av hårda block med intrikata sammanlåsande ytor sammanflätade med mjuka skikt. De konkavo-konvexa ytorna som används i de sammanlåsande osteomorfa blocken verkar vara överlägsna tablettnivån som observerats i nacre. Det demonstrerades att topologisk sammankoppling öppnar en ny väg för att förbättra de mekaniska prestandan hos kompositstrukturerna genom att förhindra sprödbrott genom de styva och spröda elementen. Våra resultat gav en tydlig demonstration av att genom att införa en sammankopplingsgenererande formvariation av de hårda byggstenarna i den riktning som är normal till monteringsplanet, är ytterligare förbättringar av de mekaniska egenskaperna hos tegel- och murbrukbaserade strukturer möjliga. Således framhävde det nuvarande arbetet de ytterligare fördelarna som topologisk sammankoppling kan ge bioinspirerade material.

metoder

Tillverkning av alla prover utfördes med hjälp av en Objet Connex500 multimaterial 3D-skrivare tillverkad av Stratasys, Ltd. Denna maskin använder polymerstrålningsteknik som använder små munstycken för att fördela flytande fotopolymeriserbar monomer från ett skrivhuvud analogt med tvådimensionell bläckstråleskrivning. Detta material härdas sedan av ultraviolett (UV) ljus med en källa belägen ombord på skrivhuvudet, vilket omedelbart får vätskehartset att reagera och stelna. Materialet tvingas genom tryckenheten, som innehåller åtta tryckhuvuden, som vardera innehåller 96 munstycken med 50 mikrometer i diameter. Munstycksstorleken styr 3D-skrivarens tillgängliga längdskala och spelar en avgörande roll i enhetens skala.

Denna speciella teknik använder ett antal polymerer, som i allmänhet är baserade på egna akrylbaserade, fotopolymeriserbara monomerer (en kombination av olika akryl). Det är påtagligt att denna teknik kan kombinera styva och gummiaktiga polymerer in situ , vilket möjliggör kontroll av mekaniska egenskaper genom att blanda dessa polymerer i olika proportioner. Två polymerer, i synnerhet VeroWhitePlus (VW +) och TangoBlackPlus (TB +), representerar de två ändarna av polymerspektrumet. VW + är en vit, styv / styv polymer och TB + är en svart, mjuk gummiliknande polymer. Genom att använda denna teknik är det möjligt att tillverka delar som består av två mycket varierande basmaterial med nästan perfekta gränssnitt. De mycket olika värdena för den elastiska modulen mellan dessa två material gör dem till lämpliga kandidater för syntes av nackliknande kompositer. Det mekaniska svaret från dessa material rapporterades tidigare, och vår egen testning (presenterad i supportinformationen) stämmer med denna litteratur.

Proverna i form av platta paneler trycktes med den mjuka fasen innefattande ungefär 13, 5 volymprocent, med en plan tjocklek på 250 um. Provens dimensioner var 64, 75 mm × 58, 5 mm och 3, 125 mm i tjocklek. Proverna tillverkades med 10 element (block) längs dragriktningen och 24 element tvärs över. De fyra blockgeometrierna presenterade i fig. 1 hade samma dimensioner och de tryckta elementen hade samma volym.

Mekanisk karaktärisering involverade test med enkel kantad hackad drag (läge I) av proverna i tre exemplar till ett minimum för varje geometri. Proverna trycktes med skåror (9, 745 mm med 0, 79 mm), utan behov av ytterligare skärning innan testning. Fel i proverna inträffade alltid vid spetsspetsen, vilket indikerade att det tryckta skåran var tillräckligt skarp. Proverna laddades i en Instron 4505-testmaskin med en 20 kN statisk belastningscell. Proverna trycktes med specifikt utformade "räfflade" VW + -sektioner i vardera änden av det arkitektoniska provområdet. Storleken och formen på dessa räfflade sektioner var avsedda att minimera glidning med maskinens grepp när man applicerar dragbelastningen. Testning genomfördes med 3 mm / min förskjutningshastighet. Det är viktigt att notera att dessa testförhållanden inte följde någon fastställd standard; snarare den experimentella proceduren som användes av Dimas et al . 55 i sin studie av tegel- och murbrukstrukturer antogs. Medan anordningen utformades för att förse exemplen uniaxiella dragkrafter, medan sprickan förökades, inträffade ojämnhet av belastning, vilket ledde till ett inducerat vridmoment när kraften applicerades på det obegränsade området i ett prov.

Beräkningsarbete utfördes med kommersiell ABAQUS / Explicit-programvara. In simulating assemblies of hard blocks without soft layers, a general contact algorithm was used as a penalty method (a stiffness-based approach) to model the contact between the blocks. Load non-uniformities leading to a developed torque in the experimental procedure as crack propagation advanced were not included in the simulations. Mesh convergence studies were carried out to determine the necessary element size. Sufficient mesh density was found to accurately represent stresses with adequate resolution within a block at approx. 4600 elements per block. The Explicit solver was employed due to its capability to deliver a convergent solution for highly nonlinear systems with many complex contacts under transient loads. However, the assemblies were assumed to be under quasi-static loads, which represented a challenge to the solver's efficiency. In order to accelerate the quasi-static simulations, the time step was reduced artificially. The issue with this method is that if the simulation speed is increased too much, inertial forces may falsify the predicted response. To evaluate this effect, the time step was reduced incrementally until the results began to diverge, and hence become unrepresentative. The ratio of the kinetic energy to the internal energy for the shortest time increment providing accurate results was then calculated to ascertain that the kinetic energy was sufficiently small (ie less than 1% of the internal energy) 63 . The model was also evaluated qualitatively and gauged by the physical testing to ensure accuracy. A loading time of 0.1 s in the simulations was found to be adequate. The parameters selected for the simulations were based on previous calculations conducted by our group, as well as several other groups, for assemblies with the same materials under different loading conditions, which were verified experimentally, both quantitatively and qualitatively 37, 48, 51, 64 . The parameters were then re-assessed for viability under the current loading conditions presented in this work, and were found to meet the criterion used (ie a low ratio of kinetic energy to internal energy). The reported simulations intended to represent only the onset of crack propagation and were used to investigate the distribution of stresses around the crack tip and the adjacent blocks. The behaviour of the soft phase was modelled by setting the coefficient of friction between the blocks at a value of μ = 1.0, which emulates the 'stickiness' between the soft and hard phases. The obtained results have at least qualitative validity, as the material properties representing the contact behaviour were derived from experiment and the explicit solver variables did meet the quasi-static requirements 63 .

ytterligare information

How to cite this article : Djumas, L. et al . Enhanced Mechanical Performance of Bio-Inspired Hybrid Structures Utilising Topological Interlocking Geometry. Sci. Rep. 6, 26706; doi: 10.1038/srep26706 (2016).

Kompletterande information

Word-dokument

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.