Исследовательская группа из Университета Хоккайдо и Университета Тоямы в Японии недавно добилась прогресса в области исследований мягких и твердых композитных материалов, выявив механизм упрочнения этого типа материалов, создав минимальную трехмерную модель. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Биоматериалы в природе, такие как кости и жемчужный слой, достигают баланса прочности и ударной вязкости благодаря многослойному сочетанию мягких и твердых компонентов, что является важным ориентиром для проектирования искусственных композитных материалов. Однако из-за сложности внутренней структуры материала и многомасштабного взаимодействия основной принцип механизма упрочнения долгое время не был прояснен.

Исследовательскую группу возглавляют доктор Тянь Фучэн, профессор Гун Цзяньпин и профессор Кацухико Сато из Университета Тоямы из отдела передовых наук о жизни Университета Хоккайдо. Они построили упрощенную трехмерную модель мягких и твердых композитных материалов, сосредоточившуюся на фундаментальных физических принципах упрочнения материалов посредством случайного распределения линейных упругих мягких и твердых элементов. Модель успешно воспроизводит типичное механическое поведение вязких композитов, включая эффекты механического гистерезиса и характеристики хрупко-вязкого перехода.

Исследование показало, что когда мягкая и твердая фазы достигают определенного механического равновесия, материал претерпевает хрупкий и жесткий переход; Лучший эффект упрочнения происходит при определенном соотношении мягких и твердых компонентов, когда ударная вязкость композитного материала может превышать отдельные свойства каждого компонента. Доктор Тянь Фучэн сказал: «Хотя модель основана на линейной упругой системе, ее результаты в значительной степени согласуются с экспериментальными данными нелинейных мягких и твердых композитов, что раскрывает общий принцип, лежащий в основе механизма упрочнения».

Основываясь на вышеизложенных выводах, команда составила « диаграмму фазы упрочнения», которая дает практическое руководство по проектированию материалов и указывает оптимальный диапазон сочетаний жесткости и вязкости компонентов. Универсальность модели показывает, что ее принцип может широко применяться при проектировании различных композитных материалов.

Ожидается, что результаты исследований будут способствовать развитию высокопроизводительных материалов в аэрокосмической и автомобильной промышленности и других областях, а также обладают потенциалом применения в биомедицинских областях, где требуются гели высокой вязкости, такие как тканевая инженерия и медицинское оборудование.