Инженеры Принстонского университета, черпая вдохновение из материалов, содержащихся в раковинах устриц и морских ушек, разработали новый цементный композит. Этот инновационный материал в 17 раз более устойчив к растрескиванию и в 19 раз более гибок и деформируем без разрушения по сравнению с традиционным цементом. Этот прорыв может значительно повысить устойчивость к растрескиванию различных хрупких керамических материалов, от бетона до фарфора.
«Если мы сможем спроектировать бетон, устойчивый к распространению трещин, мы сможем сделать его более прочным, безопасным и долговечным», — сказал исследователь Шашанк Гупта, аспирант лаборатории Резы Мойни на факультете гражданского и экологического строительства.
В статье, опубликованной 10 июня в журнале Advanced Functional Materials, исследовательская группа под руководством Мойни, доцента кафедры гражданского и экологического строительства, сообщила, что создание чередующихся слоев табулированной цементной пасты и тонкого полимера может значительно повысить устойчивость к растрескиванию и способность к разрушению. деформироваться, не разрушаясь полностью (пластичность).
Биодизайн и тестирование
В своей работе над строительными материалами лаборатория Мойни часто обращается к биологии за вдохновением. В этом случае команда разработала композит, вдохновленный природным материалом под названием перламутр или перламутр, который содержится внутри некоторых ракушек.
Гупта сказал, что на микроскопическом уровне перламутр состоит из шестиугольных таблеток твердого минерала арагонита, склеенных между собой мягким биополимером.
Таблетки арагонита в значительной степени повышают прочность перламутра, а биополимер придает ему гибкость и устойчивость к растрескиванию. Механизм упрочнения включает в себя скольжение таблеток арагонита под нагрузкой, что, наряду с другими механизмами, позволяет перламутру рассеивать энергию.
Это скользящее действие в сочетании с отклонением трещины и деформацией биополимера позволяет перламутру выдерживать значительные механические нагрузки, сохраняя при этом свою структурную целостность, что делает его одновременно прочным и эластичным.
«Эта синергия между твердыми и мягкими компонентами имеет решающее значение для замечательных механических свойств перламутра», — сказал Гупта.
Команда Принстона разработала инновационные композиты, вдохновленные перламутром, используя традиционные строительные материалы, такие как портландцементная паста, в сочетании с ограниченным количеством полимера. Они чередовали слои листов цементного теста с высокорастяжимым полимером поливинилсилоксаном.
Исследователи создали многослойные небольшие балки, чередуя листы цементной пасты с тонкими слоями полимера. Затем эти балки подверглись испытанию на трехточечный изгиб с надрезом, при котором каждая балка была испытана на изгиб для оценки трещиностойкости (или вязкости разрушения).
Экспериментальные результаты и наблюдения
В ходе эксперимента исследователи создали три типа балок. Первый тип состоял из чередующихся слоев листов цементного теста и тонкого полимера. Для второго типа они использовали лазер для гравировки шестиугольных канавок на листах цементного теста. Эти рифленые листы затем были уложены друг на друга тонкими слоями полимера.
Третий тип был похож на второй, но исследователи прорезали цемент полностью, создав отдельные шестиугольные таблетки, соединенные полимерным слоем. Эти таблетки цементного теста лежат поверх слоя полимера аналогично тому, как арагонит лежит на слое биополимера в перламутре. Эти три типа сравнивались с эталонным аналогом из твердого (монолитного) литого цементного теста.
Эксперименты показали, что разрушение опорных балок было хрупким — это означает, что балки сломались внезапно и полностью после достижения точки разрушения, без пластичности. Балки с чередованием слоев, как рифленых, так и без рифленых, продемонстрировали повышенную пластичность и устойчивость к растрескиванию.
Наиболее значимые результаты наблюдались в балках с полностью разделенными шестиугольными таблетками, похожими на перламутр. Эти балки продемонстрировали в 19 раз большую пластичность и в 17 раз большую вязкость разрушения, сохраняя при этом почти ту же прочность, что и балка из твердого цементного теста.
«Наш биоинспирированный подход заключается не в том, чтобы просто имитировать микроструктуру природы, а в том, чтобы изучить основополагающие принципы и использовать их для разработки искусственных материалов.
Одним из ключевых механизмов, делающих перламутровую оболочку прочной, является скольжение таблетки на нанометровом уровне. Здесь мы концентрируемся на механизме скольжения таблеток, создавая встроенную табличную структуру цементного теста в балансе со свойствами полимера и интерфейса между ними». — сказал Мойни.
«Другими словами, мы намеренно создаем дефекты в хрупких материалах, чтобы сделать их более прочными».
Исследователи отметили, что результаты основаны на лабораторных условиях и что для разработки методов для использования в полевых условиях потребуются дополнительные работы и исследования. Они работают над тем, чтобы определить, применима ли вязкость разрушения и пластичность конструкций к другим керамическим материалам, помимо цементного теста, таким как бетон.
«Мы только царапаем поверхность; Будет множество возможностей проектирования для изучения и проектирования основных свойств твердых и мягких материалов, интерфейсов и геометрических аспектов, которые влияют на фундаментальные размерные эффекты в строительных материалах», — сказал Мойни.