I en upptäckt som kan bana väg för nya material och applikationer, materialforskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har funnit att oscillerande belastningar vid vissa frekvenser kan leda till flerfaldig ökning av styrkan hos kompositer med ett gränssnitt som modifieras av ett molekylärt lager av "nanogl".

En nypublicerad artikel i Naturkommunikation rapporterar den oväntade upptäckten av effekterna av laddningsfrekvens på sprickenergin hos en flerskiktskomposit som involverar ett "nanogl, "vars användning också var pionjär vid Rensselaer.

"Gröja upp, förståelse, och att manipulera fenomen i nanoskala vid gränssnitt under dynamiska stimuli är en nyckel till att designa nya material med nya svar för applikationer, sa Ganpati Ramanath, John Tod Horton professor i materialvetenskap och teknik vid Rensselaer och huvudförfattaren till studien. "Vårt arbete visar att införandet av ett nanoglue-skikt vid ett gränssnitt av en skiktad komposit kan leda till stor mekanisk härdning vid vissa belastningsfrekvenser."

Ramanath och hans team av medarbetare upptäckte att, vid vissa laddningsfrekvenser, energin som krävs för att bryta en nanoglumodifierad polymer-metall-keramisk komposit tredubblades, och överskred den statiska belastningsbrottenergin. Detta beteende är oväntat och signifikant eftersom sprickenergin vanligtvis är lägre under cyklisk belastning än under statisk belastning. Sådan frekvensberoende seghet observerades endast när ett nanoglueskikt användes för att binda metallen och keramen.

Resultaten visar också att även om nanoskiktet är nödvändigt för att härdning ska ske, frekvensområdet och graden av seghet bestäms i första hand av de mekaniska egenskaperna hos polymeren i kompositen. Specifikt, nanoglue underlättar lastöverföring över metall-keramiska gränssnittet och avleder energi i polymeren genom plastisk deformation, leder till en ökning av frakturenergi.

"Vår upptäckt öppnar upp för en helt ny uppsättning möjligheter att designa kompositer med nya svar med hjälp av olika kombinationer av polymerer och gränssnittsnanolager. Till exempel, vi skulle kunna realisera en helt ny klass av smarta kompositer som avsevärt kan sega, eller kanske till och med självförstörelse, vid vissa frekvenser, sa Ramanath.

"Våra upptäckter av förmånstagares kopplingar mellan nanoglue-effekten och egenskaperna hos en beståndsdel i en komposit under cyklisk belastning öppnar ett nytt paradigm inom tillförlitlighetsteknik, " sa medförfattaren Michael Lane, Billie Sue Hurst professor i kemi vid Emory &Henry College. "Manipulation av kopplingen kan faktiskt göra kompositer mer robusta under bara de belastningsförhållanden som vi traditionellt har försökt undvika, och följaktligen, kan avsevärt utöka omfattningen och förbättra prestandan för kompositer i applikationer."