Rice材料科學(xué)家Rouzbeh Shahsavari和來(lái)訪學(xué)者Shafee Farzanian共同研發(fā)了這個(gè)模型，用來(lái)解決從微電子到汽車(chē)再到航天器等領(lǐng)域中的各種復(fù)雜材料的合成技術(shù)，其中關(guān)鍵技術(shù)在于實(shí)現(xiàn)材料的質(zhì)輕和多功能性。 該模型來(lái)源于超過(guò)400種計(jì)算機(jī)模擬自然薄片基質(zhì)如珍珠母等復(fù)合材料。

 

       該模型通過(guò)整合了各種薄片和基體組件的幾何形狀和屬性，來(lái)計(jì)算出復(fù)合材料的強(qiáng)度，韌性，剛度和斷裂應(yīng)變。用戶可以更改任何架構(gòu)或組成參數(shù)找到最佳的尺寸實(shí)現(xiàn)量化材料避免災(zāi)難性故障的能力。工程師在“固體力學(xué)與物理雜志”的論文中報(bào)告了他們?cè)敱M的工作。

 

       例如珍珠母（珍珠母），牙釉質(zhì)，竹子和螳螂蝦的指環(huán)等都是很常見(jiàn)的來(lái)自自然的復(fù)合材料。 所有這些材料都是由軟質(zhì)基體連接而成的硬片體的納米級(jí)陣列，并將陣列組成重疊的實(shí)體或其他結(jié)構(gòu)。

 

       由于該材料可使應(yīng)力分布均勻，所以具有良好的強(qiáng)度和塑性，這些特性賦予了這種天然復(fù)合材料很大的用途。當(dāng)它們局部斷裂時(shí)，它們通常可以分散應(yīng)力以減小斷裂范圍以防止整體損壞。

 

       Shahsavari說(shuō)：“自然界中有著豐富的輕質(zhì)材料，在這些類(lèi)型的材料中，兩種材料復(fù)合可增加其性能。一個(gè)是在裂紋擴(kuò)展之前，可通過(guò)片層間滑動(dòng)減小應(yīng)力。這些材料另一個(gè)魅力之處在于:它們?cè)诹鸭y擴(kuò)展后的增韌方式。

 

       “即使存在裂縫，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)材料失效，裂縫可在片層之間被消失或發(fā)生偏移，而不是直接到達(dá)材料的表面，如果裂縫穿過(guò)表面則是非常不希望看到的，裂紋會(huì)碰到另一個(gè)裂紋或者形成另一種延遲或完全防止失效的復(fù)合結(jié)構(gòu)，與直裂紋相比，長(zhǎng)而復(fù)雜的裂紋需要更多的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)。”

 

       科學(xué)家和工程師多年來(lái)一直致力于研制出具有類(lèi)似天然材料一樣的輕質(zhì)、塑性好和硬度高的而且無(wú)論是硬質(zhì)和軟質(zhì)組分還是不同類(lèi)型的薄片組合的材料。

 

       材料的剛度、韌性和強(qiáng)度對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)是非常重要的屬性。 強(qiáng)度是指材料在拉伸或壓縮時(shí)仍保持不變， 剛度是指材料抵抗變形的能力， 韌性是指材料發(fā)生塑性應(yīng)變之前所承受的力量。the Rice工程師們?cè)谝黄恼轮懈鶕?jù)已有參數(shù)繪制了一幅復(fù)合材料的性能的曲線圖。

 

       Shahsavari說(shuō)：“在模擬自然材料中增加裂紋引起的韌化是增韌的另一個(gè)有效增加額外防止實(shí)驗(yàn)失敗的途徑。這些模型揭示了裂紋之間的協(xié)同作用。他們給我們展示出所要最佳性能材料需要的各種組合。”

 

       基線模型保證實(shí)驗(yàn)中可有四個(gè)變量：特征薄板長(zhǎng)度、基質(zhì)的可塑性、薄片不相似比率（當(dāng)涉及多于一種類(lèi)型的薄板時(shí)）和薄板重疊偏移量，這些變量對(duì)于復(fù)合材料的性能都有著非常重要的影響。

 

       Shahsavari說(shuō)：“在超過(guò)400次的實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)這些因素中起決定性作用的可能是薄板長(zhǎng)度。 結(jié)果表明，薄板長(zhǎng)度對(duì)軟基質(zhì)的塑性有很大的控制作用，而且薄板長(zhǎng)度越長(zhǎng)的塑性越差。 通過(guò)控制薄板長(zhǎng)度可以使裂縫均勻分布并允許最大裂紋擴(kuò)展，使材料更好地避免災(zāi)難性故障。

 

       這種模型也會(huì)幫助研究人員知道一個(gè)材料在受到一個(gè)突然的外加應(yīng)力時(shí)，通過(guò)切換組元部分，利用比較薄片長(zhǎng)度或者改變這種結(jié)構(gòu)來(lái)判斷是否會(huì)發(fā)生類(lèi)似陶瓷或部分金屬一樣的斷裂情況。