인간 뼈의 단단한 외층 구조에서 영감을 받아 프린스턴 엔지니어들은 표준 재료보다 손상 저항력이 5.6배 더 강한 시멘트 기반 재료를 개발했습니다.생체 영감을 받은 디자인을 통해 이 소재는 기존의 깨지기 쉬운 시멘트 기반 소재와 달리 균열에 저항하고 갑작스러운 파손을 방지할 수 있습니다.

새로운기사일지에고급 소재토목공학 조교수 레자 모이니(Reza Moini)가 이끄는 연구팀은환경 공학, 그리고 3년차 Ph.D.인 Shashank Gupta입니다.후보는 튜브형 구조로 배치된 시멘트 페이스트가 균열 전파에 대한 저항을 크게 증가시키고 갑작스러운 파손 없이 변형되는 능력을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.

"취성 건축 자재 엔지니어링의 과제 중 하나는 갑작스럽고 치명적인 방식으로 실패한다는 것"이라고 Gupta는 말했습니다.

건물 및 토목 인프라에 사용되는 취성 건축 자재에서 강도는 하중을 견딜 수 있는 능력을 보장하는 반면, 인성은 구조물의 균열 및 손상 확산에 대한 저항성을 지원합니다.제안된 기술은 강도를 유지하면서 기존 재료보다 더 견고한 재료를 만들어 이러한 문제를 해결합니다.

Moini는 개선의 핵심은 균열 전면의 응력과 전반적인 기계적 반응의 균형을 맞춰 내부 아키텍처의 의도적인 설계에 있다고 말했습니다.

"우리는 '설계에 따라' 재료의 기본 특성을 개선하기 위해 파괴 역학과 통계 역학의 이론적 원리를 사용합니다."라고 그는 말했습니다.

이 팀은 힘을 제공하고 골절에 저항하는 인간 대퇴골의 조밀한 외부 껍질인 인간 피질골에서 영감을 받았습니다.피질골은 골조직(osteon)으로 알려진 타원형 관형 구성요소로 구성되며, 유기 기질에 약하게 내장되어 있습니다.이 독특한 구조는 뼈대 주변의 균열을 막아줍니다.이는 갑작스러운 파손을 방지하고 균열 전파에 대한 전반적인 저항을 증가시킨다고 Gupta는 말했습니다.

팀의 생체 영감 디자인은 전파되는 균열과 상호 작용하는 시멘트 페이스트 내에 원통형 및 타원형 튜브를 통합합니다.

"중공 튜브가 통합되면 재료가 균열에 대한 저항력이 약해질 것으로 예상됩니다"라고 Moini는 말했습니다."우리는 튜브 형상, 크기, 모양 및 방향을 활용하여 균열-튜브 상호 작용을 촉진하여 다른 속성을 희생하지 않고 한 속성을 향상시킬 수 있다는 것을 배웠습니다."

팀은 이러한 강화된 균열-튜브 상호작용이 단계적 강화 메커니즘을 시작한다는 사실을 발견했습니다. 여기서 균열은 먼저 튜브에 의해 갇힌 다음 전파가 지연되어 각 상호작용 및 단계에서 추가 에너지 소산으로 이어집니다.

"이 계단식 메커니즘을 독특하게 만드는 것은 각 균열 확장이 제어되어 갑작스럽고 치명적인 실패를 방지한다는 것입니다."라고 Gupta는 말했습니다."한 번에 부서지는 대신 재료가 점진적인 손상을 견딜 수 있어 훨씬 더 단단해집니다."

섬유나 플라스틱을 첨가하여 시멘트 기반 재료를 강화하는 전통적인 방법과 달리 프린스턴 팀의 접근 방식은 기하학적 설계에 의존합니다.재료 자체의 구조를 조작함으로써 추가 재료 없이도 인성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

개선하는 것 외에도파괴인성, 연구진은 디자인의 중요한 양인 무질서 정도를 정량화하는 새로운 방법을 도입했습니다.기반통계 역학, 팀은 건축 재료의 무질서 정도를 정량화하기 위한 매개변수를 도입했습니다.이를 통해 연구자들은 건축물의 무질서 정도를 반영하는 수치적 틀을 만들 수 있었습니다.

연구원들은 새로운 프레임워크가 주기성과 비주기성의 단순한 이진 분류를 넘어 정렬된 스펙트럼에서 무작위 스펙트럼으로 이동하면서 물질의 배열을 보다 정확하게 표현한다고 말했습니다.Moini는 이번 연구가 불규칙성과 섭동을 보로노이 테셀레이션 및 섭동 방법과 같은 통계적 장애와 혼동하는 접근법을 구별한다고 말했습니다.

"이러한 접근 방식은 우리에게 맞춤형 무질서 수준으로 재료를 설명하고 설계하는 강력한 도구를 제공합니다"라고 Moini는 말했습니다."적층 가공과 같은 고급 제작 방법을 사용하면 더욱 무질서하고 기계적으로 유리한 구조의 설계를 더욱 촉진할 수 있으며 콘크리트를 사용한 토목 인프라 구성 요소에 대한 이러한 관형 설계의 확장이 가능합니다."

연구팀은 최근에도개발됨 기법 허용로봇 공학과 적층 제조를 사용하여 높은 정밀도를 구현합니다.이를 새로운 건축물에 적용하고 튜브 내에서 단단하거나 부드러운 재료를 조합함으로써 건축 자재의 응용 가능성을 확대할 수 있기를 바랍니다.

굽타는 "우리는 이제 막 가능성을 탐구하기 시작했다"고 말했다."재료에 있는 튜브의 크기, 모양 및 방향에 무질서 정도를 적용하는 등 조사해야 할 변수가 많습니다. 이러한 원리는 손상에 강한 구조를 설계하기 위해 다른 취성 재료에 적용할 수 있습니다."