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分段韧性：用于冲击应用的建筑陶瓷板的制造、测试和微观力学
摘要：
精确的材料结构和界面可以产生不寻常的、有吸引力的机械和性能组合。例如，分割成有限大小的块体和定义明确的几何图形可以将脆性陶瓷转化为坚韧、可变形和抗冲击的材料组合。这种策略虽然在工程上很少使用，但在骨、珍珠层或牙釉质等生物材料中已经成功地应用了数百万年。本文将机械测试，立体成像，三维重建和有限元/分析建模相结合，探讨建筑陶瓷板的结构、力学和性能之间的精确关系。这项工作表明，联锁和块大小的良好平衡产生块的可控摩擦滑动和旋转，能够最大限度地减少对单个块的损坏，并优化性能。这些陶瓷结构面板的强度是整体陶瓷面板的1/4到1/2，但它们可以吸收5到20倍的机械能，这使得它们非常有吸引力，适用于高表面硬度或高耐温性必须与抗冲击和韧性相结合的应用场合。
- 简介
陶瓷材料具有高刚度、高强度、低密度、良好的热稳定性、高抗氧化性和耐腐蚀性等优点，是一种极具吸引力的工程材料。然而，尽管进行了大量的研究，但脆性仍然是陶瓷主要的局限性（Evans，1990）。有趣的是，生物材料可以获得令人惊讶的高韧性和强度组合（Ritchie，2011年），并克服骨中生物矿物的脆性（Koester等人，2008年）、珍珠层（Barthelat和Rabiei，2011年）、牙釉质（Yahyazadehfar等人，2014年）或海绵针状物（Aizenberg等人，2005年）（图1）。虽然这些材料都显示出复杂的层次结构，中尺度元素似乎是最重要的强韧元素：骨中的骨，珍珠层中的片，牙釉质中的棒，海绵骨针中的层。作为一项普遍的构成规则，这些材料由坚硬的矿物砌块制成，并通过较弱的界面粘结（Barthelat，2015；Barthelat等人，2016）。这些微调结构可导致有用的变形/失效，是迄今为止工程材料中无法比拟的导致韧性增强的机制。例如，珍珠层的交错结构导致了一些机制，如渐进的平板滑动、裂纹钝化/偏转/桥接和加工区，这些机制使珍珠层比其主要成分文石坚硬三个数量级（Barthelat和Rabiei，2011；Jackson等人，1988；Slesarenko等人，2017b；Wang等人。，2001年）。这些原则正在激发新的建筑材料类别，使其具有有趣的特性和功能组合（Dyskin等人，2001年；Lin等人，2014年；Mirkhalaf和Ashrafi，2017年；Mirkhalaf和Barthelat，2015年；Mirkhalaf和Barthelat，2016年；Mirkhalaf等人，2018年；Rudykh等人，2015年）。
几何联锁可用于建筑材料中，作为应变硬化机制，以延迟局部化并将变形扩展到大量材料（图1d）（Barthelat，2015）。由此产生的材料称为“拓扑联锁材料”（TIMs）（Djumas等人，2017；Dyskin等人，2003a；Siegmund等人，2016）。这些材料的几何特征是微观结构长度尺度（金属中的晶粒尺寸）和组件尺寸（图1e）之间的中间长度尺度（Barthelat，2015；Brechet和Embury，2013）。由于这种中等长度的尺度，可以使用精确的制造技术实现对mor光学的完全控制。自底向上和自上而下的程序已用于制造TIM（Siegmund等人，2016）。
图1.生物材料的结构、弱界面和互锁原理激发了新一代工程材.（a） 贝壳内层由文石片组成，文石片交错排列（改编自（Barthelat and Zhu，2011））。（b） 牙釉质由垂直于其表面排列的矿物棒组成，并由软质生物聚合物界面分离（改编自Habelitz等人，2001）。（c） 玻璃海绵骨架的针状物由同心玻璃柱组成（改编自Aizenberg等人，2005）。在面板a-c中，构建块的边界用红色虚线显示。（d） 建筑材料的概念：在长度尺度上具有设计形态的材料，可以完全控制形态。（e） 建筑陶瓷与整体陶瓷的变形行为。（为了解释本图图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）
在自下而上的方法中，先制造建筑块，然后组装。这些块是通过3D打印等技术制成的（Djumas等人，2017年；Feng等人，2015年；Khandel wal等人，2015年；Malik等人，2017年；Slesarenko等人，2017a），以及铸造（Krause et al.，2012；Mirkhalaf et al.，2018）和各种形状，如规则四面体（Khandelwal et al.，2012，2014），成骨（Autrufe等人，2007；Dyskin等人，2003b；Javan等人，2017），规则立方体（Dugue等人，2013；Estrin等人。2004年），buckyballs（Dyskin等人，2003a），jigsaw（Mirkhalaf等人。，或拼图形状（Haldar等人，2017；Mirkhalaf和巴塞拉特，2017年）。然后，通过精确的方法组装这些块：手工组装（Krause等人，2012年）、机器人采摘和放置（Mather等人，2012年）、模板辅助平行组装（Mather，2007年）、自我- 装配（Mirkhalaf等人，2015年；Siegmund等人，2016年），或通过嵌入式电线（Siegmund等人，2013年）。.在自上而下的方法中，接口被雕刻在大量的材料中，实际上产生了一个控制良好的架构。我们最近证明，自上而下激光雕刻可用于在玻璃内开发三维建筑，从而提高对平面内（Mirkhalaf和Barthelat，2015；Mirkhalaf等人，2014）或平面外荷载（Mirkhalaf等人，2016）的抵抗力，以及在不同荷载条件下：准静态（Mirkhalaf和Barthelat，以及影响（Mirkhalaf等人，2016）。TIMs可以具有其他有趣的特性，例如准韧性行为（Dyskin et al.，2003a，b；Khandelwal et al.，2012；Schaare et al.，2008）、局部损伤（Dyskin et al.，2003b）和重建能力（Mather et al.，2012）。
不同的材料，如聚合物、金属/合金、陶瓷/玻璃和冰，已用于构建TIMs（Siegmund等人，2016）。TIMs在陶瓷和玻璃材料中的应用尤其有希望，因为拓扑互锁和弱界面在这些材料中引入了诸如裂纹钝化和摩擦滑动等增韧机制，这些机制可以解决这些材料的固有脆性。在本研究中，我们发展一种简单且多用途的切割/组装技术来制造拓扑上互锁的ce分支板。通过立体成像、三维重建、有限元分析和分析建模等实验，揭示了这些板的新型结构-性能关系。研究发现，与单片陶瓷板相比，这种陶瓷板的抗冲击性能要高出5到20倍。
图2.联锁面板设计概述.（a） 单个构建块是通过截断四面体获得的。（b） 构造块的几何结构，显示锁定角theta;。（c） 一个块是如何被它的邻居约束或“拓扑联锁”的，例如在本研究开发的一个5times;5的建筑面板中，以及块是如何在负载下移动的。边缘的截断块用于施加联锁所需的平面内限制.
建筑陶瓷板的设计与制造
我们在这项研究中探索的建筑陶瓷板是由截短的四面体块组装而成的（图2）。与先前在拓扑联锁面板中使用的柏拉图四面体块的固定几何结构不同（Dyskin等人，2003a；Feng等人，2015），我们的截短版本基于非柏拉图四面体，具有更大的自由度来微调几何结构，从而优化机械性能（Mirkhalaf等人，2016）。此外，截断的四面体具有更大的接触面积，例如theta;=5°（图2b）的截断四面体与其相邻四面体的接触面积比使用相同高度的规则四面体时的接触面积大54%。截断平面也有平面顶面和底面，这有助于装配和提高表面的机械耐久性。通过截断中间平面（正方形，图2a）和距离中间平面h的平面上的非规则四面体而获得的块的几何结构。生成的块有六个面，两个面向内倾斜，另两个面向外倾斜相同的“互锁角”theta;（Brocato和Mondardini，2012年）（图2b）。上下表面平行。积木的下表面是一个ltimes;l正方形，而上表面是一个尺寸为l 2htantheta;乘l-2htantheta;的矩形。因此，砌块的几何结构完全由三个独立参数h、l和theta;表征。在这些块的组合中，每个块的三维位移和旋转受其四个相邻块的约束（图2c）。这个基本的装配程序可以在x-y平面上重复，以形成大的块阵列，这些块是相互锁定的，并且可以保持其位置，而无需任何粘合剂或其他紧固件，前提是面板的边缘受到作为装配“外部韧带”的刚性框架的约束（图2c）。
图3。建筑陶瓷板的制造。（a） 为建造建筑陶瓷而设置的切割装置。（b） 装配设置示意图。（c） 具有不同互锁角（theta;=0°、2.5°、5°、7.5°、10°）和块数（3times;3、5times;5和7times;7块阵列）的建筑陶瓷板。
当面板受到准静态横向力（或冲击）时，块体的相对滑动和旋转产生整体大变形，而单个块体不会显著变形（图2c）。由于这些相对运动需要摩擦滑动，因此面板也应比由相同材料制成的整体面板吸收更多的机械能。目的是使用这些变形机制产生图1e所示的力-位移响应，其中结构和控制界面处的变形这些块体在其他全脆性材料中产生新机制、大变形和能量吸收。为了生产我们的面板，从高密度（孔隙率lt;2%vol.Mcmaster-Carr）中切割单个块。IL，US）厚度h=3.18 mm的未烧硅酸铝板。将板固定在角度theta;可调的楔形平台上，然后使用精密金刚石锯（Struers，OH，US，图3a）切割，得到具有光滑表面的均匀块体，然后手动组装。使用直角角作为模板，在光滑的倾斜板上手动进给各个块（图3b）。这些块靠着模板滑动到位，然后相互抵着，这样在最终装配中块之间就没有间隙了。切割外围块，使面板侧面呈现垂直表面，这是适当约束的要求。然后用胶带将面板转移到一个铝制框架上，框架上安装了电动螺钉，调整螺钉以限制面板，不施加预压。一旦块体在框架中就位，胶带就被移除。在这项研究中，我们改变了面板的结构，但是我们保持了它们的外形尺寸：侧面Ltimes;L=50times;50平方毫米，厚度h=3.18毫米（对应于单个块的厚度）。我们研究了theta;=0°、2.5°、5°、7.5°、10°的联锁角和Ntimes;N=3times;3、5times;5和7times;7的块数的影响（图3c）。由于面板尺寸保持不变，3times;3、5times;5和7times;7块的相应横向尺寸分别为l=12.50 mm、8.33 mm和6.25 mm。除了建筑面板外，还制作和测试了具有相同横向尺寸和厚度的整体陶瓷板，以进行比较。
准静态响应
图4。面板准静态加载试验概述。（a） 准静态试验装置示意图。（b） 整体式和结构式（7times;7试样，theta;=2.5°）陶瓷板的力-挠度曲线比较。（c） 死后整体和建筑陶瓷的图像（7times;7样品，theta;=5°）。（d） 三维重建了不同加载阶段的建筑陶瓷顶面，显示了z方向的块体位移图。（d） 不同加载阶段垂直位移场的三维数字图像相关结果。（e） 垂直位移，以及（f）在不同加载阶段块体的旋转。（g） 块之间的接触图。（h） 块之间的滑动距离。（为了解释本图图例中对颜色的引用，请参考本文的web版本。）
我们首先研究了在准静态条件下，面板在横向点力作用下的机械响应。面板保持在一个框架内（图4a），但在试验开始时，面板上没有施加平面内压力。使用一个带有球形尖端（尖端半径=5 mm）的销钉来横向加载中心块中间的面板（即，在图4a中的坐标（x，y，z）=（0,0,0）处）。以10mu;m/s的速度沿长Z方向驱动销，同时记录力和位移（Admet双柱加载台，美国明尼苏达州）。使用一对相机（Fastec IL5，CA，USA）在加载过程中拍摄面板表面的立体图像。面板的上表面用黑白颜料进行立体图像对比，并用两个不同角度的卤素灯照亮面板，以尽量减少压头在面板上的阴影。
图4b所示为theta;=5°的7times;7块面板的代表性力-挠度特性，与整体板的响应进行比较。整体陶瓷板在200 N（挠度0.2 mm）的力作用下出现脆性和灾难性破坏之前呈现线性弹性响应。破坏主要由加载点产生的弯曲裂纹和迅速延伸至面板边缘的支柱构成（图4c）。穿孔处无锥形裂纹，说明面板断裂受弯曲应力控制。相比之下，建筑面板显示出钟形响应，与渐进式缓慢破坏相关。通过加载销逐渐“推出”中心块，结构面板失效，而其余面板基本保持完好（图4c）。该结构面板在4 mm（20倍于单石板的最大挠度）的变形下失效。我们没有在建筑面板上发现任何弯曲裂缝。将面板分割成其他组成部分会减小产生弯曲应力的跨度，从而增加诱发弯曲裂缝所需的力（Chintapalli等人，2014）。我们使用立体成像和三维数字图像相关（VIC 3D，相关解，SC，US）来确定垂直位移场（沿z轴，图4d）和单个块的位移和旋转（图4e-h）。为了确定四面体块相交的算法，我们还构建了三维接触图（图4g），其中红色区域表示相邻块之间的相交体积（相交体积）。三维接触贴图揭示了载荷是如何在块之间传递的，并且由于单个块的变形是最小的，因此相交体积非常薄，看起来像曲面。三维重建数据还用于计算接触块之间的界面处的位移跳跃（从接触图中显示，图4g），其可解释为块之间的滑动距离（图4f）。对试验的深入分析揭示了不同设计下变形破坏机理、块体接触方式和总滑动距离的新见解。
图5。建筑陶瓷在准静态载荷下的行为。（a） 不同块数（3times;3、5times;5、7times;7）和不同互锁角（theta;=0°、2.5°、5°、7.5°、10°）的板的力-挠度响应。（b） 刚度，（c）最大力，和（d）面板的能量吸收作为联锁角和块数的函数。
图5a展示了从具有15个联锁角和块数组合的面板测量的机械响应范围。对于每个组合，制备并测试一个样品。这些力-挠度曲线均为钟形曲线，但最大位移、力和曲线的精细特征变化较大。这些差异转化为刚度、最大力和能量吸收的变化（曲线上直至完全失效的区域）。
图5b-d显示了这三种特性如何随设计参数而变化。由于模块之间的机械相互作用增加，面板的刚度随着联锁角的增加而增加。强度和能量吸收增加到theta;=5°的最佳结合角，然后由于材料的脆性损伤而降低。这种局部表面损伤转化为力-挠度曲线的急剧下降，从而减少了
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