A multiscale XFEM approach to investigate the fracture behavior of bio-inspired composite materials

Biomimetics, also known as biomimicry or bionics, is a field of study that aims to learn concepts, models and systems from nature and apply similar concepts to solve engineering questions. Biomimetics can be considered an interdisciplinary field, where Biology and Engineering are mixed together. Meanwhile Biology extracts the knowledge of how biological systems faced and adapted to contour obstacles, Engineering has the role to interpret this knowledge and transfer it to human applications. One of many natural tissues that are inspiring new materials design is bone. Bone is a complex structural composite essentially composed by a protein based matrix and hydroxyapatite crystals. The matrix is primarily made by collagen fibers and confers flexibility to the bone. Instead, the hydroxyapatite crystals are mainly made of phosphorus and calcium providing stiffness and strength. This mixture of components with different mechanical properties creates a unique composite that can achieve properties that far exceed those of the individual components, such as fracture toughness. Bone noticeable toughness is due to its multiscale microstructure and its embedded intrinsic and extrinsic mechanisms. Intrinsic mechanisms increase microstructural resistance to crack initiation and growth, while extrinsic mechanisms act behind the crack tip reducing the crack-driving force. In this thesis, two case studies where a new bio-inspired composite material were analyzed. In both, the new composite architecture is inspired by the microstructure of bone, trying to successfully replicate the fracture toughening mechanisms. These previous studies showed higher mechanical properties in the longitudinal direction when compared to a comparative laminate; however, in the transversal direction the result was not the same. This opens an opportunity to study the reasons that led to lower properties in the transversal direction and suggest modifications in the material design. Initially, models of the two case studies under two loading conditions, tensile and flexural bending, in the transversal direction were developed. The numerical models used extended finite element method (XFEM) to probe the role of the characteristic microstructural features and interfaces on the overall fracture behavior. The outcome of the simulations showed a good agreement with experimental results, revealing the fundamental role played by the heterogeneous microstructure in altering the stress field, reducing the stress concentration at the crack tip, and the crucial role of the interface region (i.e. cement line) in fostering the activation of characteristic toughening mechanisms, increasing the overall flaw tolerance of the composite. Lastly, a new bio-inspired composite material was suggested and modeled based on insights from the previous case studies.

La biomimetica, nota anche come biomimicry o bionics, è un campo di studio che mira a implementare concetti, modelli e sistemi presenti in natura nella risoluzione di problemi ingegneristici. La biomimetica può essere considerata un campo interdisciplinare, in cui si intersecano diverse discipline, tra cui la biologia, la chimica e l'ingegneria. Mentre la Biologia si occupa di studiare i sistemi biologici e il relativo adattamento ambientale, l'Ingegneria in quanto scienza applicata, cerca di applicare questi concetti alla progettazione di nuovi materiali e oggetti. Uno dei tanti tessuti naturali che ispirano il design dei nuovi materiali è l'osso. L'osso è un composito strutturale complesso, composto essenzialmente da una matrice proteica e da cristalli di idrossiapatite. La matrice è fatta principalmente da fibre di collagene e conferisce flessibilità all'osso. Invece, i cristalli di idrossiapatite sono principalmente fatti di fosforo e calcio e forniscono rigidezza e resistenza. Questa miscela di componenti, aventi proprietà meccaniche molto diverse tra loro, crea un composito unico con proprietà meccaniche decisamente superiori a quelle dei singoli componenti, come ad esempio la resistenza alla frattura. La notevole resistenza dell'osso è dovuta principalmente alla struttura gerarchica e ala sua organizzazione microstrutturale, che favorisce l’attivazione di particolari meccanismi di tenacizzazione. Questi meccanismi aumentano la resistenza del tessuto osseo ala frattura, inibendo la formazione di cricche e rallentando la propagazione di difetti preesistenti. In questa tesi, sono stati analizzati due casi studio relativi ad un nuovo materiale composito bio-ispirato. La nuova architettura composita è ispirata dalla microstruttura dell'osso, con l’intento di replicare i meccanismi di tenacizzazione. Studi precedenti hanno mostrato una marcata anisotropia di questo materiale, con proprietà meccaniche nella direzione longitudinale superiori rispetto a quelle di un laminato comparativo, ma con evidenti limitazioni nel comportamento meccanico in direzione trasversale. Questo ha motivato uno studio numerico volto a identificare le ragioni delle carenti proprietà in direzione trasversale e a suggerire modifiche al design iniziale del materiale. Inizialmente, sono stati sviluppati i modelli dei due casi di studio in due condizioni di carico, i.e. trazione e flessione, nella direzione trasversale rispetto alla direzione principale del rinforzo. I modelli numerici, basati sul metodo XFEM (extended finite element method), sono finalizzati a studiare il ruolo della microstruttura e delle interfacce sul comportamento complessivo a frattura. L'esito delle simulazioni ha dimostrato un buon accordo con i risultati sperimentali, rivelando il ruolo fondamentale svolto dalla microstruttura eterogenea nell'alterazione del campo di sforzo, riducendo la concentrazione dello sforzo all’apice della cricca e hanno confermato il ruolo cruciale della regione di interfaccia (linea di cemento ossia) nel favorire l'attivazione di meccanismi di tenacizzazione caratteristici dell’osso, aumentando la tolleranza complessiva alla presenza dei difetti nel composito. Infine, sulla base dei risultati ottenuti, è stato suggerito un nuovo design di materiale composito bio-ispirato.