18/09/2024
Door Ad Spijkers
Robotica en additive manufacturing maken een grote mate van precisie mogelijk van een nieuw materiaal dat 5,6 keer beter bestand is tegen schade.
Onderzoekers aan Princeton University (80 km zuidwest van New York City) hebben een op cement gebaseerd materiaal ontwikkeld dat 5,6 keer beter bestand is tegen schade dan standaard tegenhangers.
Het materiaal is geïnspireerd door de architectuur van de taaie buitenlaag van menselijk bot. Het bio-geïnspireerde ontwerp zorgt ervoor dat het materiaal bestand is tegen scheuren. Het voorkomt plotseling falen, in tegenstelling tot conventionele, broze tegenhangers op cementbasis. De cementpasta wordt ingezet met een buisvormige architectuur die de weerstand tegen scheurvoortplanting aanzienlijk kan verhogen en het vermogen om te vervormen zonder plotseling falen kan verbeteren.
Taaier maar even sterk
Een van de uitdagingen bij het ontwerpen van broze bouwmaterialen is dat ze op een abrupte, catastrofale manier kunnen falen. Dergelijke materialen worden gebruikt in de bouw en civiele infrastructuur. De sterkte zorgt voor het vermogen om lasten te dragen, terwijl taaiheid de weerstand tegen scheuren en verspreiding van schade in de constructie ondersteunt. De voorgestelde techniek pakt die problemen aan door een materiaal te creëren dat taaier is dan conventionele tegenhangers, maar toch sterk blijft.
De sleutel tot de verbetering ligt in het doelbewuste ontwerp van de interne architectuur. Dit gebeurt door de spanningen aan de voorkant van de scheur in evenwicht te brengen met de algehele mechanische respons. De onderzoekers gebruiken theoretische principes van breukmechanica en statistische mechanica om de fundamentele eigenschappen van materialen 'door ontwerp' te verbeteren.
Menselijk bot
Het team werd geïnspireerd door menselijk corticaal bot, de dichte buitenste schil van menselijke dijbenen die sterk is en bestand tegen breuken. Corticaal bot bestaat uit elliptische buisvormige componenten die osteonen worden genoemd en zwak zijn ingebed in een organische matrix. Deze unieke architectuur buigt scheuren rond osteonen af. Dit voorkomt abrupt falen en verhoogt de algehele weerstand tegen scheurvoortplanting.
Het bio-geïnspireerde ontwerp van het onderzoeksteam omvat cilindrische en elliptische buizen in de cementpasta die interacteren met voortplantende scheuren. Men verwacht dat het materiaal minder bestand wordt tegen scheuren wanneer er holle buizen worden opgenomen. De onderzoekers hebben geleerd dat ze – door gebruik te maken van de geometrie, grootte, vorm en oriëntatie van de buis – de interactie tussen barst en buis kunnen bevorderen om één eigenschap te verbeteren zonder een andere op te offeren.
Interactie
Het team ontdekte dat een dergelijke verbeterde interactie tussen barst en buis een stapsgewijs verstevigingsmechanisme in gang zet. Hierbij wordt de barst eerst door de buis gevangen en vervolgens vertraagd in de voortplanting, wat leidt tot extra energieverlies bij elke interactie en stap.
Wat dit stapsgewijze mechanisme uniek maakt, is dat elke barstuitbreiding wordt gecontroleerd, waardoor plotselinge, catastrofale breuk wordt voorkomen. In plaats van alles in één keer te breken, weerstaat het materiaal progressieve schade, waardoor het veel sterker wordt.
In tegenstelling tot traditionele methoden die cementgebaseerde materialen versterken door vezels of kunststoffen toe te voegen, vertrouwt de aanpak van het Princeton-team op geometrisch ontwerp. Door de structuur van het materiaal zelf te manipuleren, bereiken ze aanzienlijke verbeteringen in taaiheid zonder dat er extra materiaal nodig is.
Raamwerk
Behalve dat ze de breuktaaiheid verbeterden, introduceerden de onderzoekers een nieuwe methode om de mate van wanorde te kwantificeren, een belangrijke grootheid voor ontwerp. Op basis van statistische mechanica introduceerde het team parameters om de mate van wanorde in gearchitecteerde materialen te kwantificeren. Hierdoor konden de onderzoekers een numeriek raamwerk creëren dat de mate van wanorde van de architectuur weergeeft.
Ze stellen dat het nieuwe raamwerk een nauwkeurigere weergave biedt van de rangschikking van het materiaal. Daarbij beweegt het zich naar een spectrum van geordend naar willekeurig, voorbij de eenvoudige binaire classificaties van periodiek en niet-periodiek. De studie maakt een onderscheid met benaderingen die onregelmatigheid en verstoring verwarren met statistische wanorde, zoals Voronoi-tessellatie en verstoringsmethoden.
Deze benadering geeft de onderzoekers een krachtig hulpmiddel om materialen met een op maat gemaakte mate van wanorde te beschrijven en ontwerpen. Het gebruik van geavanceerde fabricagemethoden zoals additieve productie kan het ontwerp van meer ongeordende en mechanisch gunstige structuren verder bevorderen. Het maakt ook het opschalen van deze buisvormige ontwerpen voor civiele infrastructuurcomponenten met beton mogelijk.
Vervolg
Het onderzoeksteam heeft ook technieken ontwikkeld die een grote mate van precisie mogelijk maken met behulp van robotica en additieve productie. Door ze toe te passen op nieuwe architecturen en combinaties van harde of zachte materialen in de buizen, hopen ze de toepassingsmogelijkheden in bouwmaterialen verder uit te breiden.
De onderzoekers zijn nog maar net begonnen met het verkennen van de mogelijkheden. Er zijn veel variabelen om te onderzoeken, zoals het toepassen van de mate van wanorde op de grootte, vorm en oriëntatie van de buizen in het materiaal. Deze principes kunnen worden toegepast op andere broze materialen om structuren te ontwerpen die beter bestand zijn tegen schade.
Foto: Sameer A. Khan/Fotobuddy