Fracture toughness analysis of helical fiber-reinforced biocomposites

材料科学 复合材料 韧性 断裂韧性 纳米复合材料 纳米纤维 微观结构 增韧 桥接(联网) 断裂力学 计算机网络 计算机科学
作者
Yuan Gao,Bo Li,Jianshan Wang,Xi‐Qiao Feng
出处
期刊:Journal of The Mechanics and Physics of Solids [Elsevier BV]
卷期号:146: 104206-104206 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.jmps.2020.104206
摘要

Many biological materials contain nanofibers of helical shape to achieve multiple biological functions and superior mechanical properties. In this paper, we establish a microstructure-based crack-bridging model to investigate how the chiral morphologies of nanofibers contribute to the fracture properties of these natural nanocomposites. By using a cohesive interfacial model, the force–displacement relation for a helical nanofiber during pullout is first derived. It is found that the fracture toughness of biological materials is sensitive to the chiral morphology of fibers, suggesting a strategy to attain superior strength, toughness and elasticity. We discover an optimum helical angle that maximizes the toughness. A scaling law is provided to predict the macroscopic fracture toughness of helical fiber-reinforced nanocomposites in terms of microscopic geometric and mechanical parameters. This work not only sheds light on the toughening mechanisms of biological materials but also offers inspirations for design and optimization of advanced composites.
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