当汽车挡风玻璃出现裂缝时，在上面钻一个洞，能阻止裂缝扩散吗？

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根据哲学家弗里德里希·尼采所说：那些杀不死你的，终将让你变得更强大！谁会想到类似的概念可能也适用于材料？挪威科技大学(NTNU)和奥斯陆大学(UIO)卓越研究中心PoreLab的负责人亚历克斯·汉森(Alex Hansen)教授说：混凝土如此坚固的原因是因为它太弱了。PoreLab的研究人员主要使用混凝土等多孔材料，在他们的世界中，这种事情可能会发生。此外，研究人员还考虑了材料在承受压力时会发生什么，其中一些发现有些出人意料。



例如，为什么具体会以这种方式发挥作用？混凝土看起来很紧凑，但实际上充满了小孔，这些孔使材料更坚固。从基础知识开始：当你的汽车挡风玻璃出现裂缝时，可以通过在上面钻一个洞来阻止裂缝的扩散。未经处理的裂纹在裂纹尖端具有高度集中的力。如果在这一点上钻一个洞，力反而会扩散到孔周围，并减轻玻璃上的压力。在多孔混凝土中也会发生类似情况，如果混凝土中有裂缝，由于所有的孔，力就会分布在整个材料中，至少自中世纪以来，人们就已经知道这些力机制。



17世纪特隆赫姆Kristiansten堡垒的建造者将动物身体的遗骸放入材料中。当动物腐烂并释放气体时，它们使材料多孔，从而变得更坚固。但这并不能解释为什么材料在压力下会变得更强。这个想法与直觉背道而驰，材料不是应该变得更弱吗？到底怎么回事？来自台湾师范大学物理系的博士生Jonas T?gersen Kjellstadli可以解释这个过程。Kjellstadli与汉森、研究员Srutarshi Pradhan和博士生Eivind Bering合作研究这一现象。Kjellstadli说：材料的“强项”部分包围“弱项”部分并保护它们。



像混凝土这样的材料并不是在所有地方都同样坚固，尽管它看起来可能很像。表面均匀的材料有弱区和强区，这些区域在整个区域中随机分布。在Kjellstadli使用的计算机模型中，强区域分布在材料中，当纤维受到压力时，它们保护薄弱区域。这发生在如此强烈的程度，使材料稳定，变得不那么容易受到这样的应力。此效果仅适用于强区域和弱区域在整个材质中分布不均匀的情况。而且它只适用于某个阈值，材料不断地被应力达到某一最大阈值或另一阈值，在那里应力的力不能再被吸收。



迟早，这种材料会突然发生灾难性的失效。研究人员还设想了可能的应用，如果可以使用这些基本知识来预测材料何时失效，会发生什么情况？什么时候压力才会变得太大？研究使用的计算机模型与观察到材料被应力载荷加强的计算机模型相同。在此基础上，增加了一些实际的实验，直到应力负荷对材料来说变得太大。汉森自2000年以来一直对这个话题感兴趣，当时他听说南非的矿井会突然坍塌。了解这些相同的原理，有朝一日可以在隧道施工过程中作为辅助，或预测地震。



这些想法仍然是推测性，应用还有待于一些遥远的未来，但研究人员的雄心壮志很高。正在努力想出一个通用的模型，以备灾难性故障发生时使用。这个目标是否可行，还不知道，但这正是PoreLab负责开展的那种高风险研究，如果他们成功了，潜在的收益是巨大的。在计算机模型中，观察到材料的弹性能量在失效前达到峰值，自从2000年开始在印度加尔各答萨哈核物理研究所的Bikas K.Chakrabarti教授的指导下学习以来，他一直致力于预测材料何时会破裂的研究，相信这有潜力扩展到实际情况中。
博科园｜研究/来自：挪威科技大学
参考期刊《物理学前沿》
DOI: 10.3389/fphy.2019.00105
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