Rice材料科學(xué)家Rouzbeh Shahsavari和來訪學(xué)者Shafee Farzanian共同研發(fā)了這個模型，用來解決從微電子到汽車再到航天器等領(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。 該模型來源于超過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。

 

       該模型通過整合了各種薄片和基體組件的幾何形狀和屬性，來計(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”的論文中報告了他們詳盡的工作。

 

       例如珍珠母（珍珠母），牙釉質(zhì)，竹子和螳螂蝦的指環(huán)等都是很常見的來自自然的復(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，它們通?？梢苑稚?yīng)力以減小斷裂范圍以防止整體損壞。

 

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

 

       “即使存在裂縫，也不會導(dǎo)致整個材料失效，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，如果裂縫穿過表面則是非常不希望看到的，裂紋會碰到另一個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，長而復(fù)雜的裂紋需要更多的能量來驅(qū)動其運(yùn)動。”

 

       科學(xué)家和工程師多年來一直致力于研制出具有類似天然材料一樣的輕質(zhì)、塑性好和硬度高的而且無論是硬質(zhì)和軟質(zhì)組分還是不同類型的薄片組合的材料。

 

       材料的剛度、韌性和強(qiáng)度對于工程師來說是非常重要的屬性。 強(qiáng)度是指材料在拉伸或壓縮時仍保持不變， 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工程師們曾在一片文章中根據(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：“在模擬自然材料中增加裂紋引起的韌化是增韌的另一個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)中可有四個變量：特征薄板長度、基質(zhì)的可塑性、薄片不相似比率（當(dāng)涉及多于一種類型的薄板時）和薄板重疊偏移量，這些變量對于復(fù)合材料的性能都有著非常重要的影響。

 

       Shahsavari說：“在超過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度。 結(jié)果表明，薄板長度對軟基質(zhì)的塑性有很大的控制作用，而且薄板長度越長的塑性越差。 通過控制薄板長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。

 

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