含多尺度孔隙陶瓷失效的相场建模

许多具有高抗压强度/重量比的刚性生物材料以高孔隙率为特征，其孔隙跨越不同尺寸尺度，典型例子包括骨和木材。最近通过天然木材的生物形态转化直接制备的磷灰石成功仿生了这些材料，从而继承了高度分级的结构。这种独特的磷灰石（以及木材和骨）以两种主要的不同尺寸圆柱孔洞群体为特征，本文表明这种孔隙率会影响失效，涉及损伤扩展以及断裂形核与传播。该结论源于失效分析：通过计算机内生成人工样品（复现材料的两尺度孔隙率）并随后进行损伤有限元建模，采用相场方法处理断裂扩展。研究发现，小孔洞促进损伤形核并通过微裂纹形成增强宏孔洞的桥接，而宏孔洞影响整体材料响应并驱动大断裂的传播。我们的结果解释了表征刚性生物材料的多尺度孔隙率的重要作用，并带来了一种新的设计范式——通过引入计算机内工具在具有脆性行为的新型人造材料（如碳化物或陶瓷泡沫）中实现仿生。