Biomimetische mechanisch robuste Zement-Harz-Verbundstoffe mit maschinenlernunterstützten gradienten-hierarchischen Strukturen

Zusammenfassung Biologische Materialien, die auf hierarchisch geordneten Architekturen basieren, inspirieren das Entstehen fortschrittlicher Verbundstoffe mit sich gegenseitig ausschließenden mechanischen Eigenschaften, aber die effiziente Topologieoptimierung und die großflächige Herstellung bleiben eine Herausforderung. In diesem Werk wird ein skalierbarer Bottom-up-Ansatz vorgeschlagen, um einen neuartigen schalenähnlichen Zement-Harz-Verbundstoff mit gradienten Ziegel-und-Mörtel (BM)-Struktur zu erzeugen, und es wird eine maschinenlernunterstützte Methode zur Optimierung der gradienten Struktur demonstriert. Der hergestellte gradienten Verbundstoff zeigt eine außergewöhnliche Kombination aus hoher Biegefestigkeit, Zähigkeit und Schlagfestigkeit. Besonders die Zähigkeit und Schlagfestigkeit dieses Verbundstoffs übertreffen die Zementgegenstücke um Faktoren von etwa 700 bzw. 600 und übertreffen sogar natürliche Gesteine, faserverstärkte zementbasierte Materialien und sogar einige Legierungen. Die Mechanismen der Verstärkung und Zähigkeit werden als die Effekte der regionalen Matrixverdichtung und der Rissspitzenabschirmung, verursacht durch die gradienten BM-Struktur, erläutert. Der entwickelte gradienten Verbundstoff bietet nicht nur ein vielversprechendes Strukturmaterial für schützende Anwendungen in rauen Szenarien, sondern ebnet auch einen neuen Weg für das Design biomimetischer Metamaterialien.