[논문 리뷰] The fracture of highly deformable soft materials: A tale of two length scales

Rong Long, Chung‐Yuen Hui외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 07.

High-Velocity Impact and Material Behavior참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 극도로 변형 가능한 연성 소재에서 균열 전파를 설명하기 위해 이중 길이 척도 프레임워크를 제안하며, 비선형 탄성 길이 척도 ℓ 와 소산 길이 척도 ξ 를 규명한다. 이 척도들이 균열 끝부리 근처에서 탄성 변형에서 에너지 소산으로의 전이를 지배함을 보여주며, 하이드로젤 및 엘라스토머와 같은 연성 소재의 균열을 예측 가능한 다스케일 이론으로 제공한다.

ABSTRACT

The fracture of highly deformable soft materials is of great practical importance in a wide range of technological applications, emerging in fields such as soft robotics, stretchable electronics and tissue engineering. From a basic physics perspective, the failure of these materials poses fundamental challenges due to the strongly nonlinear and dissipative deformation involved. In this review, we discuss the physics of cracks in soft materials and highlight two length scales that characterize the strongly nonlinear elastic and dissipation zones near crack tips in such materials. We discuss physical processes, theoretical concepts and mathematical results that elucidate the nature of the two length scales, and show that the two length scales can classify a wide range of materials. The emerging multi-scale physical picture outlines the theoretical ingredients required for the development of predictive theories of the fracture soft materials. We conclude by listing open challenges and future investigation directions.

연구 동기 및 목표

• 극도로 변형 가능한 연성 소재에서 큰 비선형성과 소산을 보이는 균열 전파를 이해하는 데 기여하는 기본적인 과제를 해결하기 위해.
• 균열 끝부리 근처에서 물리적 거동를 지배하는 두 가지 별개의 길이 척도인 비선형 탄성(ℓ)과 소산(ξ)을 규명하고 특성화하기 위해.
• 연성 소재의 거시적 균열 에너지(Γ)와 연장 작업 에너지(W*)를 기본 네트워크 구조와 분자 동역학와 연결하여 연속체 역학과 미세구조 과정을 통합하기 위해.
• 이중 길이 척도 모델을 사용하여 연성 소재의 균열 거동에 따라 분류하는 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 현재 연속체 이론을 초월하는 비율 의존성, 혼합 모드, 비선형 점탄성 균열에 대한 열린 과제를 부각시키기 위해.

제안 방법

• 두 길이 척도 모델을 제안함: 균열 끝부리 근처에서 큰 비선형 탄성장이 支배하는 영역을 위한 ℓ 와 미세구조 과정이 支배하는 소산 영역을 위한 ξ.
• 2차원에서 비선형 탄성의 점근적 분석을 통해 균열 끝부리 근처의 비선형 탄성장의 형태를 유도함으로써, 고전적 선형 탄성균열역학을 확장함.
• 강한 비선형성과 높은 소산을 보이는 연성 소재에 연속체 균열역학 개념(예: 에너지 방출률 Γ 와 연장 작업 에너지 W*)을 적용함.
• 통계적 및 군집화된 접근법을 통합하여 거시적 균열 에너지를 국소적 사슬 분해와 네트워크 구조와 연결함. 특히 자가치유 하이드로젤에서 유용함.
• 균열 끝부리 근처에서 연속체 가정의 붕괴를 분석함으로써, 고분자 네트워크 구조와 국소적 하중 전달의 역할을 강조함.
• 현미경적 손상과 사슬 분해를 탐사하기 위해 형광 메카노화학 기법과 같은 실험 기법을 사용하여 통계적 실패 모델링에 정보를 제공함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극도로 변형 가능한 연성 소재에서 균열이 발생할 때 비선형 탄성(ℓ)과 소산(ξ)이라는 두 가지 별개의 길이 척도가 어떻게 도출되는가?
• RQ2 연성 소재에서 거시적 균열 에너지(Γ)와 연장 작업 에너지(W*) 사이의 관계는 무엇이며, 이는 미세구조적 세부 사항에 의해 어떻게 지배되는가?
• RQ3 균열 끝부리의 3차원에서의 필드 변화는 어떻게 되며, 특히 균열 앞선이 곡선일 경우 2차원 가정과 어떻게 다를까?
• RQ4 혼합 모드 하중 조건(인장 및 전단)이 연성 소재에서 균열의 기초 및 전파에 어떻게 영향을 미치며, 새로운 길이 척도는 무엇이 도출되는가?
• RQ5 자기치유 하이드로젤과 같은 소재에서 비율 의존적 거동가 균열 이론의 타당성에 영향을 미치며, ℓ 와 ξ 의 정의는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 비선형 탄성 길이 척도 ℓ 는 큰 변형이 支배하는 균열 끝부리 근처 영역을 특성화하며, 2차원 비선형 탄성의 점근적 해로부터 유도된다.
• 소산 길이 척도 ξ 는 특이적 탄성장에서 국소적인 미세구조 과정(예: 사슬 분해 및 복구)이 에너지 소산을 지배하는 영역으로의 전이를 나타낸다.
• 이중 길이 척도 모델은 균열 거동에 따라 다양한 연성 소재를 성공적으로 분류하며, 거시적 균열 에너지를 미세구조적 네트워크 동역학과 연결한다.
• 자기치유 하이드로젤에서는 광범위한 사슬 분해와 재형성으로 인해 소산 길이 척도 ξ 가 크며, 이는 높은 에너지 흡수와 인성으로 이어진다.
• 연속체 접근법은 균열 끝부리 근처에서 붕괴되며, 국소적 하중 전달과 네트워크 비균일성을 고려한 통계적 및 군집화된 모델이 필요하다.
• 연성 소재의 비율 의존적 거동는 ℓ 와 ξ 의 엄격한 정의를 무너뜨리며, 역사에 의존하는 재료 반응을 포함하는 비선형 점탄성 이론의 필요성을 강조한다.