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Combination of biological mechanisms for a concept study of a fracture-tolerant bio-inspired ceramic composite material

Humburg, Heide und Volkmann, Eike und Koch, Dietmar und Müssig, Jörg (2014) Combination of biological mechanisms for a concept study of a fracture-tolerant bio-inspired ceramic composite material. Journal of Materials Science, 23 (49), Seiten 8040-8050. Springer. doi: 10.1007/s10853-014-8511-x. ISSN 0022-2461.

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Offizielle URL: http://dx.doi.org/10.1007/s10853-014-8511-x

Kurzfassung

The biological materials nacre and wood are renowned for their impressive combination of toughness and strength. The key mechanisms of these highly complex structures are crack deflection at weak interfaces, crack bridging, functional gradients and reinforcing elements. These principles were applied to a more fracture-tolerant model material which combined porous stiff ceramic layers, manufactured by freeze casting, infiltrated and bonded by a polymer phase reinforced with fabric layers. In the hybrid composites, crack deflection occurred at the ceramic–fabric interface and the intact fabric layers served as crack-bridging elements. Fabric-reinforced epoxy layers stabilized the fracture behaviour and delayed catastrophic failure of the material. The influence of the different components was analysed by varying the ceramic, fabric and interface properties. More ductile fabrics lead to larger strain to failure and more crack bridging but reduced the composite strength and stiffness after initial cracking. Higher elastic mismatch between the components improved crack deflection and bridging but resulted in deterred load transfer and a lower strength. The stiffness and strength of the ceramic layers influenced the elastic properties of the laminar composite and the initial crack resistance. Flaw tolerance was increased with polymer infiltration. We show with our hybrid ceramic–fabric composite as a bio-inspired concept study how fracture toughness, work of fracture and tolerance for cracking can be tailored when the contributing factors, i.e. the ceramic, the fabric and their interface, are modified.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/93413/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Combination of biological mechanisms for a concept study of a fracture-tolerant bio-inspired ceramic composite material
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Humburg, Heideheidehumburg (at) web.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Volkmann, EikeEike.Volkmann (at) ohb.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Koch, Dietmardietmar.koch (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müssig, Jörgjoerg.muessig (at) hs-bremen.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2014
Erschienen in:Journal of Materials Science
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:23
DOI:10.1007/s10853-014-8511-x
Seitenbereich:Seiten 8040-8050
Verlag:Springer
ISSN:0022-2461
Status:veröffentlicht
Stichwörter:bioinspired ceramics fracture toughness composite
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Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie > Keramische Verbundstrukturen
Hinterlegt von: Koch, Dietmar
Hinterlegt am:22 Dez 2014 16:25
Letzte Änderung:06 Sep 2019 15:27

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