Mecanismos de tenacidad en materiales compuestos inspirados por la naturaleza

Abstract

La búsqueda de mejoras en materiales está, en gran medida, orientada a la modificación química de sus componentes o nuevas combinaciones de los mismos. Avances en técnicas de fabricación, permiten actualmente la manipulación de la estructura de material a escalas macro, micro y nanométricas, en pos de mejoras en alguna propiedad en particular. Este camino hacia una performance superior de materiales ya ha sido llevado a cabo por la naturaleza a través de años de evolución. En ella podemos ver que el foco no solo se coloca en los componentes a combinar, el cual yace en los materiales que tiene en el medio, sino también en la morfología a diferentes escalas del material en sí. En este estudio nos enfocamos en la morfología de la microestructura de materiales naturales de algunos crustáceos con buen desempeño en resistencia a la propagación de fisura. Un estudio mediante el uso de modelos computacionales detallados se desarrolló a diferentes escalas tratando de recrear las características más notorias de algunos materiales naturales. Si bien para esta investigación fueron abordados estudios de particularidades de diferentes organismos, como la coraza del abulón rojo de california, el diente de chitón y el exoesqueleto del martillo dáctilo del estomatópodo mantis marino, fue en esta última en la cual se centraron los análisis y de los cuales se presentan en esta investigación. En cada caso se trató de separar una celda unidad representativa en cada una de las escalas de estudio que representa el material y mediante el uso de herramientas computacionales utilizando el método de elementos finitos y técnicas de homogenización, fue posible determinar el funcionamiento y características mecánicas de estos materiales. Observaciones de imágenes de microscopia electrónica, permitieron dar luz a un hecho importante del material: la existencia de microfisuras observadas en las diferentes regiones indica que este tipo de material convive con el daño y trata de mitigarlo a través de mecanismos que disipan la energía. Otra observación indica Facultad de Ingeniería - UNLP 23 Isaías E. Gallana además que el crecimiento de fisura sucede paralelo a la longitud de las fibras, por lo que una microestructura con arreglo de fibras en forma helicoidal como el que la mantis presenta, favorece a la disipación. Es por ello que una interfase entre fibras que guie la fisura y a su vez eleve la disipación de energía no resulta extraña de ser utilizada por la naturaleza. La presencia de uniones rígidas en las interfases entre placas del nácar o barras de la microestructura del chitón y su fractura inicial, por ejemplo, son una característica común que actúa como uno de los primeros mecanismo de disipación de energía. La presencia de estas uniones rígidas entre fibras, es factible en la microestructura de la mantis, por lo que modelos de fractura lineal elástica conjuntamente con modelos de zonas cohesivas fueron llevados a cabo de modo de determinar la cantidad y distribución óptima de estos elementos que a su vez permiten guiar la fisura a través de la interfase. Esta investigación representa un pequeño paso hacia el entendimiento de mecanismos de disipación del daño, donde el foco no reside en impedir la ocurrencia de la fisura sino en tratar de manejarla y mitigarla mediante la dispersión de la misma.