[논문 리뷰] Topological Origin of Fracture Toughening in Complex Solids: the Viewpoint of Rigidity Theory

Mathieu Bauchy, Mohammad Javad Abdolhosseini Qomi외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 10.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 나트륨 실리케이트 유리 및 칼슘-실리케이트-하이드레이트와 같은 복잡한 고체에서 균열 인성은 그들의 위상적 네트워크의 강성에서 기인하며, 원자당 구속 수가 3과 일치하는 이소스터틱 구성에서 최적의 인성이 발생한다. 분자 동역학 시뮬레이션과 강성 이론을 사용하여 저자들은 이소스터틱 네트워크가 가역적인 응력 완화와 균열 둥글게 만들기(크랙 블런팅)를 보이며, 연성의 감소를 최소화하고 분자 척도 설계를 통해 뛰어난 균열 저항성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In order to design tougher materials, it is crucial to understand the relationship between their composition and their resistance to fracture. To this end, we investigate the fracture toughness of usual sodium silicate glasses (NS) and complex calcium--silicate--hydrates (CSH), the binding phase of cement. Their atomistic structure is described in the framework of the topological constraints theory, or rigidity theory. We report an analogous rigidity transition, driven by pressure in NS and by composition in CSH. Relying both on simulated and available experimental results, we show that optimally constrained isostatic systems show improved fracture toughness. The flexible to stressed--rigid transition is shown to be correlated to a ductile-to-brittle transition, with a local minimum of the brittleness for isostatic system. This fracture toughening arises from a reversible molecular network, allowing optimal stress relaxation and crack blunting behaviors. This opens the way to the discovery of high-performance materials, designed at the molecular scale.

연구 동기 및 목표

• 나트륨 실리케이트 유리 및 칼슘-실리케이트-하이드로겔(CSH)과 같은 복잡한 고체에서 균열 인성의 원자 척도 기원을 이해하는 것.
• 강성 이론에 의해 지배되는 위상적 구속이 기계적 거동과 균열 저항성에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 원자당 구속 수가 3과 일치하는 이소스터틱 상태가 최대 균열 인성과 최소한의 연성 부족과 관련이 있는지 확인하는 것.
• 이소스터틱 시스템에서 가역적인 응력 완화와 균열 둥글게 만들기가 인성 향상에 어떻게 기여하는지 탐색하는 것.
• 분자 척도에서 이소스터틱 네트워크 구조를 목표로 삼아 고성능 재료의 일반 설계 원칙을 수립하는 것.

제안 방법

• 실제 원자 간 상호작용 잠재에너지와 함께 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 사용하여 다양한 조성과 압력에서 나트륨 실리케이트 유리와 CSH를 모델링한 것.
• 원자당 결합 길이 변화 및 구부림 구속 수에 기반하여, 구속 수(nc)가 3보다 작을 경우 유연한 네트워크(nc < 3), 3보다 클 경우 스트레스-강성 네트워크(nc > 3), 정확히 3일 경우 이소스터틱 네트워크(nc = 3)로 분류하는 강성 이론을 적용한 것.
• 1 ns 동안 10 GPa에서 기계적 하중 및 해제 사이클을 시뮬레이션하여 영구적인 부피 변화와 변형의 가역성을 평가한 것.
• 균열 표면을 타원형 실린더에 맞추어 타원도를 변형도의 함수로 추적함으로써 균열 둥글게 만들기 정도를 정량화한 것.
• 특히 응력 완화, 점도, 활성화 에너지 측면에서 이소스터틱 시스템의 기계적 거동과 네트워크 구조 간의 상관관계를 분석한 것.
• 실험 및 시뮬레이션 데이터를 분석하여 이소스터틱 상태 중심의 최적 인성 창문이 보편적임을 규명한 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자당 구속 수가 3과 일치하는 이소스터틱 상태가 최대 균열 인성과 관련이 있는가?
• RQ2 네트워크의 가역적인 응력 완화 능력이 복잡한 고체에서 균열 전파 및 둥글게 만들기에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 기계적 하중 하에서, 이소스터틱, 스트레스-강성, 유연한 네트워크 간에 균열 둥글게 만들기 정도는 어느 정도 다를까?
• RQ4 나트륨 실리케이트 유리 및 CSH와 같은 다양한 재료의 균열 인성은 단일 위상적 프레임워크로 통합될 수 있는가?
• RQ5 이소스터틱 시스템에서 관찰된 가역적 변형 거동은 그들의 향상된 균열 저항성의 일반적 특징인가?

주요 결과

• 나트륨 실리케이트 유리 및 칼슘-실리케이트-하이드레이트(CSH)의 균열 인성은 원자당 구속 수가 정확히 3과 일치하는 이소스터틱 영역에서 최대화된다.
• 이소스터틱 네트워크는 하중 해제 후 거의 완전한 부피 복원을 보이며, 이는 가역적인 응력 완화를 나타내며, 이는 유연한 시스템의 영구적 플라스틱 변형 또는 스트레스-강성 시스템의 영구적 과도한 스트레스에 비해 뚜렷하다.
• 균열 둥글게 만들기는 이소스터틱 시스템에서 가장 두드러지며, 25% 변형까지도 균열 형태가 현저히 변형되어(낮은 타원도 유지) 유연하거나 스트레스-강성 네트워크에서 관찰되는 날카로운 균열 전파와 대조된다.
• 이소스터틱 상태는 점도와 활성화 에너지의 局부 최소값과 상관관계를 가지며, 이는 변형 중 집단적 원자 재배열이 향상됨을 뒷받침한다.
• 유연한 상태에서 스트레스-강성 상태로의 전이가 연성-취성 전이에 해당하며, 이소스터틱 조성에서 최소한의 취성이 관찰된다.
• 가역적인 응력 완화와 균열 둥글게 만들기와 같은 관찰된 인성 향상 메커니즘은 다양한 재료에서 일관되며, 이소스터틱 네트워크의 보편적인 위상 기원을 시사한다.