Här är ett tips: Indenterad cement visar unika egenskaper

Week 7, continued (Juli 2019).

Anonim

Rice University Scientists har bestämt att oavsett hur stor eller liten en bit tobermorit är, kommer den att svara på lastningskrafter på exakt samma sätt. Men poking det med en skarp punkt kommer att ändra sin styrka.

Tobermorit är en naturligt förekommande kristallin analog med kalciumsilikathydratet (CSH) som utgör cement, som i sin tur binder betong, världens mest använda material. En form av tobermorit som används av forntida romare antas vara en nyckel till den legendariska styrkan i sina undervattensbetongstrukturer.

Det finlagda materialet kommer att deformeras på olika sätt beroende på hur standardkrafterna-skjuvning, kompression och spänning tillämpas, men deformationen kommer att vara konsekvent bland provstorlekar, enligt Rice Materials forskare Rouzbeh Shahsavari. Han utförde forskningen, som framträder i Naturens öppna vetenskapliga rapporter, med huvudförfattare och doktorand Lei Tao.

För deras senaste undersökning byggde Shahsavari och Tao molekylär dynamikmodeller av materialet. Deras simuleringar avslöjade tre nyckelmolekylära mekanismer på jobbet i tobermorit som också är sannolikt ansvariga för styrkan av CSH och andra skiktmaterial. En är en förskjutningsmekanism i vilken atomer under stress rör sig kollektivt som de försöker hålla sig i jämvikt. En annan är en diffusiv mekanism där atomer rör sig mer kaotiskt. De fann att materialet bibehåller sin strukturella integritet bäst under skjuvning, och mindre så under komprimering och sedan dragbelastning.

Mer intressant för forskarna var den tredje mekanismen, genom vilken bindningar mellan skikten bildades när man pressade en nanoindenter in i materialet. En nanoindenter är en apparat (simulerad i detta fall) som används för att testa hårdheten hos mycket små volymer material. Den höga spänningen vid injektionspunkten ledde till lokala fastransformationer, i vilka materialets kristallina struktur deformerade och skapade starka bindningar mellan skikten, ett fenomen som inte observerades under standardkrafter. Styrkan hos bindningen berodde på både kraftmängden och, till skillnad från de makroskala stressorerna, spetsens storlek.

"Det finns stor stress strax under nanoindentorns lilla spets, " sa Shahsavari. "Det förbinder de närliggande lagren. När du har tagit bort spetsen, går strukturen inte tillbaka till den ursprungliga konfigurationen. Det är viktigt: Dessa omvandlingar är irreversibla.

"Förutom att ge grundläggande förståelse för viktiga deformationsmekanismer, avslöjar detta arbete det sanna mekaniska svaret hos systemet under små lokaliserade (kontra konventionella) belastningar, såsom nanoindentation, " sa han. "Om du ändrar spetsstorleken (och därmed den interna topologin) kommer att förändra mekaniken - till exempel, gör materialet starkare - då kan man använda den här funktionen för att bättre utforma systemet för specifika lokaliserade belastningar."

Shahsavari är biträdande professor i civil- och miljöteknik och materialvetenskap och nanoengineering.

menu
menu