Analizy 3D ważnym elementem budowy wytrzymalszych obiektów
Analizy 3D skupiające się na badaniu pęknięć na różnego rodzaju obiektach przyczyniają się do tworzenia trwalszych kompozytów.
W momencie, gdy nieszczęśliwy wypadek prowadzi do uszkodzenia przedmiotów takich jak ulubiony kubek czy okulary, rzadko kiedy zatrzymujemy się, by podziwiać zawiłość wzoru pęknięć, które się na nich pojawiają. Jednakże, dla Johna Kolińskiego i jego zespołu z Laboratorium Mechaniki Inżynieryjnej Miękkich Powierzchni (EMSI) przy Szkole Inżynierii EPFL, to właśnie badanie tych skomplikowanych form pęknięć stanowi przedmiot zainteresowania. Ich badania koncentrują się na zrozumieniu dynamiki rozprzestrzeniania się pęknięć w materiałach kruchych, co jest kluczowe dla projektowania bezpiecznych, trwałych i kosztowo efektywnych kompozytów używanych w budownictwie, sporcie, czy inżynierii lotniczej.
Tradycyjne podejścia w mechanice zakładają, że pęknięcia mają charakter płaski i rozprzestrzeniają się po dwuwymiarowych powierzchniach. Tymczasem, rzeczywistość ukazuje nam obraz znacznie bardziej złożony, gdzie pęknięcia przenikają materiał, tworząc trójwymiarowe labirynty skomplikowanych struktur. Odkrycie i analiza takiej trójwymiarowości stawia przed naukowcami wyzwanie, głównie z powodu ograniczonej przejrzystości materiałów oraz szybkości, z jaką pęknięcia się formują.
Wykorzystując techniki najnowszej generacji, w tym mikroskop konfokalny, Kolinski i jego zespół zdołali nie tylko obserwować, ale i dokumentować rozwój pęknięć w czasie rzeczywistym. Ich badania ujawniły bezpośredni związek między złożonością geometryczną pęknięć a wytrzymałością materiału, sugerując, że im bardziej skomplikowany jest wzór pęknięcia, tym materiał wykazuje większą odporność na dalsze uszkodzenia. To odkrycie wskazuje na istotną lukę w dotychczasowych teoriach dotyczących pęknięć w trójwymiarze.
Aby zbadać ten fenomen, zespół skoncentrował się na pracy z hydrożelami i elastomerami, które dzięki swojej przezroczystości i elastyczności, umożliwiły dokładne badanie procesu pękania. Wykorzystując niestandardowe urządzenie, które pozwala na kontrolowanie naprężeń w próbce, naukowcy byli w stanie zrekonstruować trójwymiarowe mapy pęknięć, ukazując ich skomplikowaną naturę.
Eksperymenty te potwierdziły, że energia potrzebna do wygenerowania pęknięć jest proporcjonalna do ich złożoności geometrycznej. Zwraca uwagę na proces projektowania materiałów, sugerując, że uwzględnienie złożonych form pęknięć może znacząco wpłynąć na ostateczną wytrzymałość materiału.
Ponadto, badania pokazały, że kiedy pęknięcie natrafia na przeszkodę w materiale, jego planarna symetria ulega zmianie, co z kolei zwiększa energię potrzebną do jego dalszego propagowania. Ten fakt otwiera nowe perspektywy dla projektowania materiałów z uwzględnieniem wewnętrznych niejednorodności, co może przyczynić się do zwiększenia ich wytrzymałości.
Praca Kolińskiego i jego zespołu stanowi istotny krok w zrozumieniu złożoności pęknięć i ich wpływu na wytrzymałość materiałów. Ujawnia, jak ważne jest precyzyjne modelowanie i testowanie w fazie projektowania, by nie tylko zrozumieć, ale i wykorzystać naturalne tendencje materiałów do tworzenia skomplikowanych wzorów pęknięć na rzecz tworzenia bezpieczniejszych i bardziej wydajnych rozwiązań inżynieryjnych.
Szymon Ślubowski
