新发现：“柔软度”可以预测到无序材料的失效

 

图：用于低聚物柱模拟和颗粒柱实验的软度场和粒子排列的快照，这是科学论文中研究的两个系统。

 

      将智能手机放在玻璃屏幕上，屏幕是由原子集合而成，且没有明显的顺序，这可能会导致它崩溃。与金属和其他晶体材料不同，玻璃和许多其他无序固体在失效之前不会显着变形，并且由于结晶顺序的不完善，难以预测哪些原子在失效期间会发生变化。

 

      宾夕法尼亚大学物理学与天文学教授道格拉斯•杜连安（Douglas Durian）说：“为了理解一个系统如何选择它的重排场景，我们必须把它与基本的微观结构联系起来。晶体很容易，重排是拓扑诸如位错之类的缺陷。对于无序固体来说，40年前的一个非常困难的问题是：结构缺陷是什么？它在什么地方是无序的？

 

      为了寻找看起来完全不同的无序材料之间的联系，宾夕法尼亚州艺术与科学学院与工程与应用科学学院的研究人员之间的跨学科合作研究了前所未有的无序固体粒子，粒子组成范围从单个原子到河流岩石。从根本上理解材料失效，这可能为设计更多防碎玻璃或预测滑坡等地质现象的研究铺平道路。

      在“科学”杂志上发表的一篇论文中，宾夕法尼亚大学的研究人员揭示了这些无序系统之间的共性，定义了与晶体材料失效有关的“缺陷”的对应物。无序系统中的这种所谓的“柔软性”预测了缺陷的位置，缺陷的位置是材料失效时有可能改变的颗粒的集中区域。

 

      本文是由宾夕法尼亚州物质研究科学与工程中心（MRSEC）进行多年研究的成果，该研究中心由物质结构研究实验室主办。Andrea Liu是宾夕法尼亚州立大学艺术与科学学院的物理学教授。宾夕法尼亚州机械工程和应用力学教授兼主席Robert Carpick是MRSEC综合研究小组的联合领导人，专注于无序填料机理的研究。

      该研究组的十几名教职人员以及来自实验室的学生和博士后研究人员都对这项研究做出了贡献，提供了15种不同类型的无序系统的模拟和实验数据。每个系统中的颗粒大小不等，其范围从构成耐磨发动机涂层的碳原子到模型河床中的厘米大小的塑料球。

 

      研究人员使用机器学习收集了数百个数据，这些数据表征了每个系统中粒子的排列方式，这些数据可能不会透露太多。重要的是，他们发现这些数据的组合与动态密切相关。这产生了称为柔软性的微观结构特性。如果软度是已知的，则可以预测无序材料的行为以及其组成颗粒重新排列的可能性。

      研究人员研究的系统由于随机的热波动或不同类型的施加应力（如挤压或拉伸）而重新排列。在所有状态下，该技术运行良好，研究人员能够高精度地预测系统重新排列的可能性。

 

      他们比较了跨系统的属性。他们发现与柔软度相关的长度尺寸与重排的尺寸相同，或者发生故障时移动的颗粒数量相同。值得注意的是，他们发现这个数字在所有这些系统中几乎是相同的，不管粒子的大小和它们是如何相互作用的。

 

      刘说：“人们一直在谈论40年来无序固体中局部重排的大小。 “他们推测局部缺陷（他们称之为剪切变换区域）在可能发生重排的无序系统中，但没有人直接看到这一点，他们无法提前预测重排的可能性。 我们说：'让我们来调试这个系统，让我们看看重新排列和结构，看看我们能不能找出关键点，然后利用它。这在概念上非常简单，但事实证明它非常强大。“

 

      研究人员还测量了屈服应变，或者在开始发生塑性变形之前固体可以变形的多少。他们发现，所有无序固体的屈服应变大致相同，其机械刚度在13个数量级。相比之下，不同晶体材料的屈服应变会差百倍或千倍。

 

      现在研究人员已经证明，在压力施加之前和之后，所有这些系统看起来都是一样的，下一步的努力方向是由Durian和学校机械工程和应用力学教授Paulo Arratia共同领导的工程与应用科学。他们的目标是超越屈服的压力，这一切都开始变得混乱，系统开始变得很反常。一些系统断裂，另一些系统显示剪切带，像泡沫可以顺利地流动。

 

     Durian说：“当发生重排时，附近颗粒的柔软度都会发生变化，但由于长距离的弹性作用，颗粒的柔软程度可能相差较远，这个数据就说明了这一点。重排对下一次重排可能发生的位置有着重要的影响，特别是是否会促进附近颗粒的重新排列，从而促进剪切带，或者是起到阻止的作用，从而促进韧性？我们相信理解并终控制排列、压力和结构间复杂的相互作用，是提高韧性的关键。“

      如果研究人员能够明白为什么不同的系统下的超出产量的行为不同，他们也许能够控制柔软度，以及在压力下如何演变。这可能会促使更坚硬的涂层和材料的生产，如更耐用的手机玻璃屏幕。

 

      “无序固体有很多很好的性质，”刘说。 “你可以将它们塑造成任何你想要的形状，或者创造出原子性光滑的表面，这对于晶体系统来说是无法做到的，但是它们容易粉碎，如果我们知道怎样控制和防护的话，这些东西才会开始有了真正的应用，理想情况下，我们希望开发新的，更坚韧的材料，这些材料不会脆断，至少不会直接崩溃。

文章来自materialstoday网站，原文题目为‘Softness’ can predict failure in disordered materials，由材料科技在线汇总整理。

2017-12-25 14:58