[論文レビュー] Scale-free fracture in soft solids

Jin Young Kim, Zezhou Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2018

High-Velocity Impact and Material Behavior被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、延性性のないとされるエラストマーに、相分離法を用いて制御的に核化・成長する空洞を導入し、ソフトな固体におけるスケールフリーな破壊を調査する。空洞は、空洞周囲で分散的・不可逆的な結合の切断を伴い、一定の駆動圧力のもとでスケールフリーに拡大する。これは、通常は破壊的とされるエラストマーに延性的挙動が見られるという、新たな知見を示している。

ABSTRACT

Cavitation is a common damage mechanism in soft solids. Here, we study this using a phase-separation technique in stretched, elastic solids to controllably nucleate and grow small cavities by several orders of magnitude. The ability to make stable cavities of different sizes, as well as the huge range of accessible strains, allows us to systematically study the early stages of cavity expansion. Cavities grow in a scale-free manner, accompanied by irreversible bond breakage that is distributed around the growing cavity, rather than being localized to a crack tip. Furthermore, cavities appear to grow at constant driving pressure. This has strong analogies with the plasticity that occurs surrounding a growing void in ductile metals. In particular we find that, although elastomers are normally considered as brittle materials, small-scale cavity expansion is more like a ductile process. Our results have broad implications for understanding and controlling failure in soft solids.

研究の動機と目的

• 制御されたひずみ下でのソフト固体における初期段階の空洞拡大のメカニズムを理解すること。
• 微小スケールにおいて、ソフト固体の破壊が破壊的プロセスか延性的プロセスかを調査すること。
• 空洞拡大における局所的クラック先端応力と分散的結合切断の役割を調査すること。
• 空洞拡大が金属の塑性に類似した一定圧力によって駆動されるかどうかを特定すること。

提案手法

• 伸張されたエラスティック固体に相分離法を用いて空洞を核化・成長させる。
• 広範な変形状態にアクセスできるように、制御された一軸引張ひずみを適用する。
• 複数のスケールにわたる空洞の核化・成長をモニタリングするため、イン・サイド画像法を用いる。
• 空洞拡大中の駆動圧力を測定し、駆動力の一貫性を評価する。
• 空洞周囲の結合切断の空間的分布を分析し、局所化または非局所化を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフト固体における空洞拡大は、スケールフリーな成長メカニズムに従うか？
• RQ2 空洞拡大中に結合切断はクラック先端に局所化しているか、それとも空洞周囲に分散しているか？
• RQ3 空洞拡大の過程で駆動圧力は一定であるか？
• RQ4 空洞成長の観点から、ソフト固体の破壊挙動は延性金属とどのように比較できるか？

主な発見

• 空洞は、特徴的な長尺度を持たないまま、複数のスケールにわたってスケールフリーに拡大する。
• 不可逆的結合切断はクラック先端に局在するのではなく、空洞周囲に分散的に発生する。
• 空洞拡大は一定の駆動圧力のもとで進行し、自己持続的成長プロセスであることを示している。
• 破壊メカニズムは、従来は破壊的とされるエラストマーではあるが、延性金属の塑性に類似している。
• エラストマーにおける微小スケールの空洞拡大は延性的挙動を示すため、ソフト固体の破壊に関する従来の分類に疑問を呈する。