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Guiding and Trapping Cracks With Compliant Inclusions for Enhancing Toughness of Brittle Composite Materials

材料科学 复合材料 脆性 韧性 断裂韧性 复合数 弹性模量 背景(考古学) 基质(化学分析) 模数 生物 古生物学
作者
Neal R. Brodnik,Chun-Jen Hsueh,K. T. Faber,Blaise Bourdin,G. Ravichandran,Kaushik Bhattacharya
出处
期刊:Journal of Applied Mechanics [ASM International]
卷期号:87 (3) 被引量:9
标识
DOI:10.1115/1.4045682
摘要

Abstract The problem of toughening heterogeneous materials with a stiff matrix and compliant inclusions is investigated through numerical simulations and experiments. Specifically, the problem of optimizing a combination of effective toughness and effective elastic modulus in the context of a square array of compliant inclusions in a stiff matrix is explored. Crack propagation in the heterogeneous material is simulated using a variational phase-field approach. It is found that the crack can meander between or get attracted to and trapped in the inclusions. Composite specimens with a stiff matrix and compliant circular inclusions were 3D printed, and their fracture toughness was measured using a specially designed loading fixture. The experimental results show agreement with the numerical predictions by demonstrating the attraction and trapping of cracks in the inclusions. This study demonstrates the potential for significant enhancement of toughness through elastic compliance contrast between the matrix and the inclusion without notably compromising the effective elastic modulus of the composite material.

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