3D图像揭示了裂纹复杂度与材料韧性之间的关联

研究人员在实验室中使用3D成像技术揭示了裂纹复杂性与材料韧性之间的关联。EPFL工程学院的软接口工程力学实验室团队研究了脆性固体中裂纹的传播方式，以便开发和测试用于建筑、运动和航空航天工程的安全且经济有效的复合材料。然而，他们发现，传统的裂纹分析方法假定裂纹是平面的。事实上，大多数裂纹都是三维网络结构，这给观察带来了挑战。通过使用瑞士军刀和共焦显微镜，研究团队成功地观察到了这种复杂性，并发现了裂纹复杂度与材料韧性之间的正相关关系。

研究人员的方法涉及创建四种不同水凝胶和一种弹性体的非常薄的切片。透明而脆弱的水凝胶被用作理解玻璃和脆性塑料中裂纹形成的代理材料。而弹性体则类似于橡胶和硅聚合物等材料。实验中，使用瑞士军刀的剪刀产生了水凝胶样品中的几何复杂裂缝。研究人员使用自己开发的装置控制样本对齐和加载，并利用共焦显微镜生成了一系列荧光图像，然后将其叠加以组建每个断裂表面的独特三维地图。

总的来说，这些实验揭示了驱动样品裂缝所需的应变能量与裂尖长度直接成正比。这表明，3D裂缝的增加几何复杂性会随着裂缝的推进而产生更多的断裂表面，从而需要额外的应变能量来驱动它。

此外，研究人员还展示了当平滑裂缝接近嵌入样品中的刚性障碍物时，裂缝的平面对称性被打破，增加了裂尖长度和驱动裂缝前进所需的能量。

这项工作突出了在进行材料测试时的重要性，因为任何与平面裂纹前端的几何偏差可能导致对材料韧性的错误测量，甚至危险的高估。最新的研究结果已经发表在《自然物理学》杂志上。