Deformation and fracture of mineralized biological materials

• Main Author: Rabiei, Reza
• Other Authors: Francois Barthelat (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2011
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=107807

Mineralized biological materials such as bone and seashells are made of relatively weak building blocks, yet they exhibit remarkable combinations of stiffness, strength and toughness. In particular, fracture toughness of these structures exceeds that of their components by several orders of magnitude. This performance can be largely explained by the "staggered microstructure" of these materials: stiff inclusions of high aspect ratio are laid parallel to each other with some overlap, and bonded by a softer, more ductile and tougher matrix. Under tensile stress the inclusions "slide" on one another, which generates large deformations and energy dissipation. This mechanism is predominant in mother of pearl, also known as nacre, a remarkable material which is now serving as model for biomimetic materials. As such, nacre is used as the representative of staggered structures throughout the present study. First, in order to better identify which type of nacre should serve as biomimetic model, the structure and mechanics of four different types of nacre are characterized. In particular, the respective deformation and fracture behaviour of these nacres is examined using four point bending experiments with and without initial notches. The transition between different failure modes is captured with in-situ testing techniques. In particular, nacre from pearl oyster is found to be the toughest, and for the first time remarkable deformation and fracture patterns are observed using in-situ optical and atomic force microscopy. Under stress, stair-like deformation bands form at an angle from the loading direction, forming a dense, tree-like network. This marks a clear difference from the now well documented "columnar" failure mode where deformation bands are perpendicular to the loading direction. By contrast, brittle tablet fracture is shown to be the predominant failure mode in pen shell due to its excessively high tablet aspect ratio. Analytical models supported by existing numerical simulations reveal the conditions for the transition between columnar to stair failure modes, namely large or random overlap between inclusions and local shear stress generated by inhomogeneities in the material. "Stair" failure promotes spreading of nonlinear deformation and energy dissipation, which translates into a higher overall toughness. Finally, in order to relate the material properties of staggered structures directly to those of their ingredients, a closed-form fracture model is developed based on the pre-existing models for stiffness and strength. This model shows that a combination of inclusions pullout and large process zone leads to tremendous toughness amplification. The model also suggests that a material like nacre cannot reach steady state cracking, with the implication that the toughness increases indefinitely with crack advance. Transition from steady state to non-steady state toughening is shown to be controlled by the values of a newly-found non-dimensional material property called "process zone parameter". These findings agree well with existing fracture data, and for the first time relate microstructural parameters with overall toughness. The insights gained throughout this study are applicable to other mineralized biological materials such as bone. In addition, the findings related to the mechanics of natural staggered structure will contribute to the development of upcoming biomimetic materials. === Les matériaux biologique minéralisés tells que l'os ou la nacre sont constitue de « blocs de construction » relativement fragile, tout en possédant de remarquables combinaisons de rigidité, résistance a la contrainte et résistance a la fracture. En particulier, la résilience d'un matériau comme la nacre dépasse celle de ses « ingrédients » par plusieurs ordres de magnitude. Cette performance peut être largement expliquée par leur « microstructure échelonnées » : des inclusions rigides et fortement allongées (fibres ou tablettes) sont arranges parallèlement avec du recouvrement, et sont collées ensemble par une matrice organique ductile et résiliente. Sous la contrainte mécanique les inclusions « glissent » les unes sur les autres, ce qui génère de larges déformations et dissipe une quantité d'énergie substantielle. Ce mécanisme est proéminent dans la nacre, un remarquable matériau qui sert maintenant de modèle pour des matériaux biomimétiques. Dans cette étude la nacre est donc utilisée pour étudier les structures échelonnées. En premier lieu, et pour identifier quel type de nacre devra servir de « modèle » biomimétique, les structures et mécanismes de quatre types de nacre sont caractérisés. En particulier, leur particulier modes de déformation et de fracture sont examinés en utilisant des tests de flexion en quatre point, avec et sans entaille initiale. Une transition de mode de fracture a été observée en utilisant des méthodes de test in-situ. La nacre de l'huitre perlière a été identifiée comme la plus résiliente des nacres testées et pour la première fois, de remarquables motifs de déformation et de fracture ont été observés avec un microscope optique et un microscope a force atomique. Sous la contrainte mécanique, des bandes de déformation en escalier apparaissent a un angle par rapport a la direction du chargement, formant un réseaux dense ressemblant aux branches d'un arbre. Ceci marque une différence importante avec le mode de déformation colonnaire maintenant bien documente. Par contraste, la fracture fragile des inclusions est le mode de fracture dominant pour la grande nacre, a cause de l'aspect de forme élevé de ses inclusions. Des modèles analytiques supportés par des modèles numériques révèlent les conditions pour les transitions entre ces différents modes de fracture. Le mode de fracture en escalier favorise la distribution des déformations non linéaire et la dissipation d'énergie, ce qui se transpose en une large résilience globale. Finalement, afin the connecter les propriétés mécanique de structure échelonnées par rapport a leur ingrédients et leur microstructure, un modèle analytique pour la fracture est développé. Ce modèle démontre qu'une combinaison de tirage d'incluions et d'une large zone de transformation mène a des amplifications de résilience très importants. Le model suggère aussi qu'un matériau comme la nacre ne peut pas atteindre un régime constant de fracture, et que la résilience augmente continument avec l'avancement de la fracture. La transition du régime constant au régime transitoire est contrôlée par un seul paramètre. Ces modèles concordent avec les mesures et observations expérimentales, et ils relatent pour la première fois les paramètres microscopiques avec la résilience globale pour les structures échelonnées. Ces découvertes pourraient être utiles pour comprendre la mécanique de déformation d'autres matériaux minéralisés tels que l'os. Finalement, les leçons de cette étude vont contribuer au succès de matériau biomimétiques futurs.