Control of Mechanical and Fracture Properties in Two-phase Materials Reinforced by Continuous, Irregular Networks

材料科学 断裂(地质) 复合材料 微观结构 成核 相(物质) 拓扑(电路) 复合数 断裂力学 抗弯强度 计算机科学 结构工程 数学 工程类 组合数学 有机化学 化学
作者
Tommaso Magrini,Chelsea Fox,Adeline Wihardja,Athena Kolli,Chiara Daraio
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2309.01888
摘要

Composites with high strength and high fracture resistance are desirable for structural and protective applications. Most composites, however, suffer from poor damage tolerance and are prone to unpredictable fractures. Understanding the behavior of materials with an irregular reinforcement phase offers fundamental guidelines for tailoring their performance. Here, we study the fracture nucleation and propagation in two phase composites, as a function of the topology of their irregular microstructures. We use a stochastic algorithm to design the polymeric reinforcing network, achieving independent control of topology and geometry of the microstructure. By tuning the local connectivity of isodense tiles and their assembly into larger structures, we tailor the mechanical and fracture properties of the architected composites, at the local and global scale. Finally, combining different reinforcing networks into a spatially determined meso-scale assembly, we demonstrate how the spatial propagation of fractures in architected composite materials can be designed and controlled a priori.
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