CAREER: Creating Tough, Sustainable Materials Using Fracture Size-Effects and Architecture
职业:利用断裂尺寸效应和架构创造坚韧、可持续的材料
基本信息
- 批准号:2339197
- 负责人:
- 金额:$ 73.57万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2024
- 资助国家:美国
- 起止时间:2024-07-01 至 2029-06-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Materials for a sustainable economy should take little energy to produce, be sustainably sourced, and be easily recycled or reused. Few materials satisfy these criteria while also being strong and tough enough for broad use in engineering. To solve this, one can take inspiration from natural materials, which are made to be both renewable and durable by using precise nano- and microstructures. This Faculty Early Career Development (CAREER) award supports fundamental research for creating strong, tough, and sustainable materials through new knowledge of small-scale fracture in architected materials. Bio-derived and/or biodegradable materials will be created with precise microstructures using advanced manufacturing tools. Mechanical testing and computer modeling on both small- and large-scale materials will reveal how cracks grow and propagate in complex structures. This knowledge will be used to inform the design of new sustainable materials for aerospace, construction and automotive industries. It will further be used to develop new programs and courses for promoting sustainable materials use in the next generation of engineers. Emerging strategies using architecture to enhance toughness often have bioinspired designs, but they largely ignore how architecture affects the development of fracture process zones, especially at small length scales. This is especially true in anisotropic or hierarchical structures, which can have complex fracture processes occurring at multiple length scales. This research will reveal how architecture can inhibit and redistribute material-scale damage when introduced at relevant fracture length scales. Architectures will be made using sustainably sourced materials with features at or below the constituent fracture process zone size using both macro- and nanoscale additive manufacturing. Concomitant simulations will use elastic-plastic-damage finite element modeling to reveal how different structures can spread, deflect, or impede damage to create larger architectural fracture process zones and enhance toughness. These efforts will be incorporated into a new undergraduate outreach initiative on sustainable materials design that aims to recruit underrepresented community college students into university STEM programs. It will also be used in a graduate course on architected material design where students will try to develop new sustainable materials solutions to existing engineering problems.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
可持续经济的材料应该消耗很少的能源来生产,来源可持续,并且易于回收或再利用。很少有材料能够满足这些标准,同时又足够坚固和坚韧,足以在工程中广泛使用。为了解决这个问题,人们可以从天然材料中汲取灵感,通过使用精确的纳米和微米结构使天然材料既可再生又耐用。该学院早期职业发展(CAREER)奖支持通过建筑材料小规模断裂的新知识创造坚固、坚韧和可持续材料的基础研究。将使用先进的制造工具制造出具有精确微观结构的生物衍生和/或可生物降解材料。对小型和大型材料的机械测试和计算机建模将揭示裂纹如何在复杂结构中生长和传播。这些知识将用于为航空航天、建筑和汽车行业设计新型可持续材料。它将进一步用于开发新的项目和课程,以促进下一代工程师可持续材料的使用。使用结构来增强韧性的新兴策略通常具有仿生设计,但它们在很大程度上忽略了结构如何影响断裂过程区的发展,特别是在小长度尺度上。在各向异性或分层结构中尤其如此,这些结构可能在多个长度尺度上发生复杂的断裂过程。这项研究将揭示当在相关的断裂长度尺度上引入结构时,结构如何抑制和重新分布材料尺度的损伤。建筑结构将使用可持续来源的材料制成,其特征等于或低于组成断裂过程区域的尺寸,并使用宏观和纳米级增材制造。伴随的模拟将使用弹塑性损伤有限元模型来揭示不同结构如何扩散、偏转或阻止损伤,以创建更大的建筑断裂过程区域并增强韧性。这些努力将被纳入一项新的关于可持续材料设计的本科生推广计划中,该计划旨在招募代表性不足的社区学院学生加入大学 STEM 项目。它还将用于建筑材料设计研究生课程,学生将尝试开发新的可持续材料解决方案来解决现有的工程问题。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的评估进行评估,被认为值得支持。影响审查标准。
项目成果
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专著数量(0)
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会议论文数量(0)
专利数量(0)
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