上次您最喜歡的杯子掉在地上或坐在眼鏡上時(shí)，您可能太全神貫注而沒有注意到破碎物體上出現(xiàn)的復(fù)雜裂紋圖案。但捕獲這種模式的形成是EPFL 工程學(xué)院軟界面工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(EMSI)的 John Kolinski 和他的團(tuán)隊(duì)的專長。他們的目標(biāo)是了解裂紋如何在脆性固體中傳播，這對于開發(fā)和測試用于建筑、體育和航空航天工程的安全且具有成本效益的復(fù)合材料至關(guān)重要。

但分析裂紋形成的傳統(tǒng)力學(xué)方法假設(shè)裂紋是平面的，即它們形成在材料的二維表面上。事實(shí)上，簡單的平面裂縫只是冰山一角：大多數(shù)裂縫——就像玻璃等日常脆性固體中的裂縫一樣——傳播到由脊和其他復(fù)雜特征組成的三維網(wǎng)絡(luò)中。

由于材料的不透明性和裂紋形成的速度，實(shí)時(shí)觀察這種復(fù)雜性是極其困難的。但現(xiàn)在，借助瑞士軍刀和共焦顯微鏡，科林斯基和他的團(tuán)隊(duì)成功做到了這一點(diǎn)，并且他們發(fā)現(xiàn)在此過程中裂紋復(fù)雜性與材料韌性之間存在正相關(guān)關(guān)系。

“傳統(tǒng)上，驅(qū)動(dòng)裂紋所需的能量被認(rèn)為是一種材料特性，但我們的工作對幾何形狀的關(guān)鍵作用產(chǎn)生了獨(dú)特的見解：即，通過增加裂紋尖端幾何特征的復(fù)雜性，可以使材料有效地變得更堅(jiān)韌，因?yàn)橥七M(jìn)復(fù)雜裂紋比簡單裂紋需要更多的應(yīng)變能，”Kolinski 說。 “這凸顯了當(dāng)前 3D 裂縫理論中的一個(gè)重要差距。”

該實(shí)驗(yàn)室的研究成果最近發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上。

長度和強(qiáng)度之間的基本聯(lián)系

研究人員的方法涉及創(chuàng)建四種不同水凝膠和彈性體的非常薄的切片。水凝膠透明且易碎，但易于變形和測量而不破碎，可以作為了解玻璃和脆性塑料中裂紋如何形成的代理。彈性體同樣是橡膠和硅樹脂聚合物等材料的代表。

雖然實(shí)驗(yàn)裂紋是用最先進(jìn)的共焦顯微鏡觀察到的，但它們是用標(biāo)準(zhǔn)瑞士軍刀誘導(dǎo)的：設(shè)備剪刀的剪切作用自然會(huì)在水凝膠樣品中產(chǎn)生幾何形狀復(fù)雜的裂紋。使用 EMSI 團(tuán)隊(duì)開發(fā)的定制裝置來控制樣品對準(zhǔn)和加載，通過共焦顯微鏡生成一系列熒光圖像，然后堆疊以組裝每個(gè)斷裂表面的獨(dú)特三維圖。

“人們很早就知道，通過事后觀察斷裂表面，裂紋可能會(huì)變得復(fù)雜，但人們卻忽略了對裂紋出現(xiàn)時(shí)的載荷條件或樣品所受到的力的了解，”Kolinski 解釋道。 “我們的創(chuàng)新成像方法使得在原位嚴(yán)格表征這種關(guān)系成為可能。”

簡而言之，這些實(shí)驗(yàn)表明驅(qū)動(dòng)樣品裂紋所需的應(yīng)變能與裂紋尖端的長度成正比。這表明，隨著裂紋的擴(kuò)展，3D 裂紋的幾何復(fù)雜性增加會(huì)產(chǎn)生更多的斷裂面，因此需要額外的應(yīng)變能來驅(qū)動(dòng)裂紋。

在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員展示了當(dāng)更平滑的裂紋接近嵌入樣品中的剛性障礙物時(shí)，裂紋的平面對稱性被打破，從而增加了裂紋尖端的長度和驅(qū)動(dòng)裂紋前進(jìn)所需的能量。

“事實(shí)上，我們可以分離出材料中如此不均勻的幾何復(fù)雜性是如何出現(xiàn)的，這可能會(huì)激發(fā)新的設(shè)計(jì)方法，”科林斯基說。 “我們的工作還強(qiáng)調(diào)了進(jìn)行材料測試時(shí)小心謹(jǐn)慎的重要性，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在知道，平面裂紋前沿的任何幾何偏差都可能導(dǎo)致材料韌性的錯(cuò)誤測量，并可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的高估。”