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Bioinspired Tough Materials with Microstructured Sacrificial Bonds Based on Instability-Assisted 3D Printing

Shibo Zou

Ph.D. thesis (2020)

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Abstract

High toughness is required for structural materials in many safety-critical engineering systems, such as aircraft windshield and jet engine fan containment. The capability of the material to dissipate energy and resist failure is essential to maintain the structural integrity and system security under the presence of small cracks or a sudden impact load. Also, multifunctionality is often required for structural materials, such as lightweight and optical transparency, making the development of such structural materials a great challenge in engineering. Spider silk outperforms most synthetic materials in terms of specific toughness. The breaking of sacrificial hydrogen bonds and unfolding of hidden protein chains contribute to the silk's large extensibility and high energy dissipation. Introducing the sacrificial bonds and hidden lengths toughening mechanism into traditional engineering materials is promising to make high-toughness structural materials with multifunctionalities. Instability-assisted 3D printing provides a facile way to fabricate microstructured thermoplastic fibers with sacrificial bonds and hidden lengths. The fluid-mechanical instability of the molten polymer thread on a fused filament fabrication (FFF) 3D printer is harnessed to induce the coiling phenomenon, creating weakly fused bonds and coiling loops along the fiber which are analogous to the sacrificial bonds and hidden lengths in the molecule structure of spider silk, respectively. The purpose of this dissertation is to develop bioinspired tough materials with microstructured sacrificial bonds and hidden lengths based on instability-assisted 3D printing. Previous development of microstructured poly(lactic acid) (PLA) fibers by instability-assisted 3D printing suffered from premature failures, in which the fiber backbone fractures before the breaking of all sacrificial bonds. The premature failures inhibit the hidden lengths from being fully released, resulting in the microstructured fiber's toughness sometimes as low as 25% of that of the benchmark straight fiber. In order to understand the mechanisms behind the premature failures, we conducted a comprehensive failure analysis of the microstructured PLA fibers through mechanical tests, scanning electron microscopy (SEM) characterization, and numerical simulation. We found that high local tensile stress induces crack initiation at the fiber backbone during the bending-torsion-tension coupled deformation of the unfolding loop. The nonlinear finite element simulation shows that the straightening of the fiber loop involves with large-scale plastic deformation which contributes to most of the energy dissipation. Subsequently, we implemented the sacrificial bonds and hidden lengths toughening mechanism at the microscale in a transparent energy-absorbing composite. A facile printing process was developed to create a bidirectional microstructured polycarbonate (PC) fiber fabric which was then embedded in an elastomeric matrix during a resin infiltration process. The weak adhesion between the PC fiber and the elastomeric matrix allows the sacrificial bonds to break freely inside the matrix. Under impact, the hidden loops unfold after the bond breaking and the matrix cracking, resisting the impactor penetration with a graceful failure. The composite shows high energy absorption and a hysteresis of 95.6% (dissipated energy/total absorbed energy × 100%), which are analogous to the energy dissipating behavior of spider webs during prey capture. The combination of clear PC fibers and transparent elastomeric matrix with similar refractive indexes (nfiber = 1.58 and nmatrix = 1.55) results in the composite's high optical transmittance (~89%) and low haze (~11%). We further investigated the failure mechanism and damage tolerance of the energy-absorbing composite with microstructured PC fibers. Both notched and unnotched composite specimens in the pure shear geometry with unidirectional microstructured fibers were tested in uniaxial tensile tests to understand the interactions between crack propagation, bond breaking and loop unfolding. We found that the deformation and failure of the composite material are dominated by the multiple breaking of sacrificial bonds at the microscale and the multiple fracture of the elastomeric matrix at the macroscale. The composite shows a very large energy dissipation zone both ahead of and behind the crack tip during crack propagation, resulting in a rising resistance curve. Combining the microstructured fibers and straight fibers in the elastomer composite results in a ~ 17 times increase in stiffness and a ~ 7 times increase in total energy to failure compared to the neat elastomer. The newly developed design strategy uses mechanically dissimilar components to achieve high transparency and high energy dissipation with a facile and scalable fabrication process. Our approach opens a new avenue for the design and manufacturing of multifunctional composites with high energy dissipation capabilities at large deformations for various applications such as automotive and aerospace components, and space debris capture.

Résumé

Une ténacité élevée est requise pour les matériaux structuraux dans de nombreux systèmes d'ingénierie critiques pour la sécurité, tels que le pare-brise d'avion et le confinement des soufflantes de moteurs à réaction. La capacité du matériau à dissiper l'énergie et à résister aux défauts est essentielle pour maintenir l'intégrité structurelle et la sécurité du système en présence de petites fissures ou d'une charge d'impact soudaine. En outre, la multifonctionnalité est souvent requise pour les matériaux de structure, tels que les matériaux légers et la transparence optique, ce qui rend le développement de tels matériaux structuraux un grand défi d'ingénierie. La soie d'araignée surpasse la plupart des matériaux synthétiques en termes de ténacité spécifique. Le bris des liens hydrogènes sacrificiels et l'extension des chaînes protéiques cachées contribuent à la grande extensibilité et à la dissipation d'énergie élevée de la soie. L'introduction des liens sacrificiels et des longueurs cachées dans les matériaux d'ingénierie traditionnels est prometteuse pour fabriquer des matériaux structuraux à haute ténacité avec des multifonctionnalités. L'impression 3D assistée par instabilité offre un moyen facile de fabriquer des fibres thermoplastiques microstructurées avec des liens sacrificiels et des longueurs cachées. L'instabilité fluidique du filament de polymère fondu sur une imprimante 3D de fabrication de filaments fondus (FFF) est exploitée pour induire le phénomène de bouclage, créant des liens faiblement soudés et des structures bouclantes le long de la fibre qui sont analogues aux liens sacrificiels et aux longueurs cachées dans la structure moléculaire de la soie d'araignée, respectivement. Le but de cette thèse est de développer des matériaux résistants bioinspirés avec des liens sacrificiels microstructurés et des longueurs cachées basées sur l'impression 3D assistée par instabilité. Le développement antérieur de fibres de poly(acide lactique) (PLA) microstructurées par impression 3D assistée par instabilité a souffert de défaillances prématurées, dans lesquelles le squelette de la fibre se fracture avant la rupture de tous les liens sacrificiels. Les défaillances prématurées empêchent les longueurs cachées d'être complètement libérées, ce qui entraîne une ténacité de la fibre microstructurée parfois aussi basse que 25% de celle de la fibre droite de référence. Afin de comprendre les mécanismes derrière les défaillances prématurées, nous avons effectué une analyse complète des défaillances des fibres de PLA microstructurées par des tests mécaniques, des caractérisations par microscopie électronique à balayage (MEB) et des simulations numériques. Nous avons constaté qu'une contrainte de traction locale élevée induit une initiation de fissure au niveau du squelette de la fibre pendant la déformation couplée flexion-torsion-tension du bouclage de dépliage. La simulation par éléments finis non linéaire montre que l'extension du bouclage de fibre implique une déformation plastique à grande échelle qui contribue à l'essentiel de la dissipation d'énergie. Par la suite, nous avons mis en œuvre le mécanisme de renforcement des liens sacrificiels et des longueurs cachées à l'échelle microscopique dans un composite transparent absorbant l'énergie. Un processus d'impression facile a été développé pour créer un tissu de fibre de polycarbonate (PC) microstructuré bidirectionnel qui a ensuite été intégré dans une matrice élastomère pendant un processus d'infiltration de résine. La faible adhérence entre la fibre PC et la matrice élastomère permet aux liens sacrificiels de se rompre librement à l'intérieur de la matrice. Sous l'impact, les boucles cachées se déplient après le bris du lien et la fissuration de la matrice, résistant à la pénétration de l'impacteur avec une rupture gracieuse. Le composite présente une absorption d'énergie élevée et une hystérésis de 95.6% (énergie dissipée / énergie totale absorbée × 100%), qui sont analogues au comportement de dissipation d'énergie des toiles d'araignées lors de la capture des proies. La combinaison de fibres PC transparentes et d'une matrice élastomère transparente avec des indices de réfraction similaires (nfiber = 1.58 et nmatrix = 1.55) se traduit par une transmittance optique élevée (~ 89%) et une faible diffusion de la lumière (~ 11%). Nous avons également étudié le mécanisme de défaillance et la tolérance aux dommages du composite absorbant l'énergie avec des fibres PC microstructurées. Des échantillons composites entaillés et non entaillés sollicités en cisaillement pur avec des fibres microstructurées unidirectionnelles ont été testés dans des essais de traction uniaxiale pour comprendre les interactions entre la propagation des fissures, le bris du lien et l'extension du bouclage. Nous avons constaté que la déformation et la rupture du matériau composite sont dominées par la rupture multiple des liens sacrificiels à l'échelle micrométrique et la fracture multiple de la matrice élastomère à l'échelle macroscopique. Le composite présente une très grande zone de dissipation d'énergie à la fois à l'avant et derrière le fond de fissure pendant la propagation de la fissure, ce qui entraîne une courbe de résistance croissante. La combinaison des fibres microstructurées et des fibres droites dans le composite élastomère entraîne une augmentation d'environ 17 fois de la rigidité et une augmentation d'environ 7 fois de l'énergie totale jusqu'à la rupture par rapport à l'élastomère pur. La stratégie de conception nouvellement développée utilise des composantes mécaniquement différentes pour obtenir une transparence élevée et une dissipation d'énergie élevée avec un processus de fabrication facile et évolutif. Notre approche ouvre une nouvelle voie pour la conception et la fabrication de composites multifonctionnels avec des capacités de dissipation d'énergie élevées à de grandes déformations pour diverses applications telles que les composants automobiles et aérospatiaux, et la capture des débris spatiaux.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Frederick Gosselin and Daniel Therriault
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/5521/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 17 Jun 2021 12:05
Last Modified: 09 Jun 2023 05:05
Cite in APA 7: Zou, S. (2020). Bioinspired Tough Materials with Microstructured Sacrificial Bonds Based on Instability-Assisted 3D Printing [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/5521/

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