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Spiderweb-inspired, transparent, impact-absorbing composite

Shibo Zou, Daniel Therriault et Frederick Gosselin

Article de revue (2020)

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Abstract

Transparent materials with high impact absorption are required for many safety-critical engineering systems. Existing transparent tough composites have increased impact resistance but often fail catastrophically because of poor impact absorption. We propose a transparent impact-absorbing composite that reproduces the toughening mechanism involving sacrificial bonds and hidden lengths in spider silk. Our material consists of an elastomer matrix and an instability-assisted, 3D-printed, bidirectional fabric of microstructured fibers with sacrificial bonds and alternating loops. Under impact, the hidden loops unfold after bond breaking and matrix cracking, resisting impactor penetration with graceful failure. The large-scale plastic deformation of the unfolding loops significantly increases energy dissipation and leads to hysteresis of 95.6% (dissipated energy/total absorbed energy × 100%), minimizing the released elastic energy and reducing the rebounding damage. Our approach opens a new avenue for designing and manufacturing transparent high-energy-absorbing composites for impact protection applications.

Mots clés

3D printing, instability, transparent composite, sacrificial bonds, energy dissipation

Sujet(s): 1700 Conception et fabrication > 1702 Méthodes de fabrication avancées
2000 Science et technologie des matériaux > 2001 Structure, propriétés et essais des matériaux
2100 Génie mécanique > 2100 Génie mécanique
Département: Département de génie mécanique
Centre de recherche: CREPEC - Centre de recherche sur les systèmes polymères et composites à haute performance
LM2 - Laboratoire de Mécanique Multi-échelles
Organismes subventionnaires: CRSNG/NSERC, Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT), Canadian Foundation for Innovation
Numéro de subvention: 175791953, 63014
URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/9279/
Titre de la revue: Cell Reports Physical Science (vol. 1, no 11)
Maison d'édition: Elsevier
DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100240
URL officielle: https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100240
Date du dépôt: 09 sept. 2022 15:20
Dernière modification: 26 avr. 2024 12:25
Citer en APA 7: Zou, S., Therriault, D., & Gosselin, F. (2020). Spiderweb-inspired, transparent, impact-absorbing composite. Cell Reports Physical Science, 1(11), 100240 (17 pages). https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100240

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