新研究揭示了软质材料中的裂缝是如何开始和扩展的

一项最新研究揭示了软质材料中的裂缝是如何开始和扩展的，为创造更耐用、无缺陷、具有重大环境效益的材料铺平了道路，这项研究由米兰理工大学领导的一个国际研究小组率先进行。资料来源：米兰理工大学

最初在无缺陷的软弹性固体中，脆性裂纹的成核先于非线性弹性不稳定性，如果不考虑有限弹性变形的几何精确描述，就无法捕捉到这种不稳定性。作为问题的原型，研究人员考虑了一个受拉伸的均质弹性体，并假设它因自由表面的存在而被削弱，而自由表面则是裂纹成核的位置。研究表明，在这种最大程度简化的情况下，脆性断裂产生于软化激活的对称性破坏弹性不稳定性，并涉及大的弹性旋转。均质弹性平衡的隐含分岔对于非线性弹性来说是非常不寻常的，因为它表现出对几何形状的强烈敏感性，让人联想到流体中向湍流的过渡。我们追溯了这种不稳定性超越无尺度连续弹性适用极限的分岔后发展，并使用相场方法捕捉与尺度相关的亚连续应变局部化，这预示着实际裂缝的形成。

"我们发现，断裂从材料的自由表面开始传播，从打破物体对称性的弹性不稳定性开始。然后，断裂急剧扩展，形成错综复杂的裂缝网络，就像我们在流体中观察到的湍流现象一样，如涡旋形成过程中的湍流现象，"米兰理工大学数学系 MOX 实验室的 Pasquale Ciarletta 解释说。

这一发现促进了其在各个技术领域的重要应用。例如，在微米和纳米设备的生产中，材料需要具有极高的耐受性和无缺陷性。了解裂纹是如何形成的，就能设计出更坚固耐用的材料。在消费电子产品领域，这可能会促使智能手机、平板电脑和笔记本电脑等设备的屏幕能够更好地承受冲击和跌落，从而减少维修和更换的频率。在医疗领域，心脏起搏器和假肢等植入式设备可受益于更安全、更持久的材料，从而极大地改善患者的健康状况。

在航空航天工业中，了解和预防材料断裂可以使结构更加坚固可靠，降低与太空和航空旅行相关的风险。

"这项研究的成果不仅为今后旨在开发具有前所未有的机械性能的材料的研究铺平了道路，而且还通过减少频繁更换产品的需要和减少浪费对环境产生了积极影响。"米兰理工大学数学系的 Davide Riccobelli 总结道。

DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.248202

编译自/ScitechDaily