| Summary: | Natural materials such as bone, tooth, nacre or spider silk offer unique and attractive combinations of stiffness, strength and toughness, and for this reason they have started to serve as models for high-performance biomimetic materials. Interestingly the structure of these materials at the nanoscale or at the microscale displays a "universal pattern" consisting of staggered stiff inclusions of high aspect ratios (fibres or tablets) bonded together by a more ductile and tougher organic matrix, which enables them to dissipate a significant amount of energy. This study presents unified design guidelines for biomimetic composites based on the staggered structure and its associated mechanisms. In particular, greater strength and stiffness can be achieved with inclusions with large aspect ratio, but this parameter must remain within bounds to prevent the fracture of the inclusions themselves. The ends of the inclusions (the junctions) actually behave as dominant crack-like features in the structure, generating stress singularities in the adjacent inclusions. This finding led to the development of a new scaling law and new insights on the advantage of small microstructure size. The effect of inclusions roughness (inclusion waviness and nanoasperities) was also explored, and it was shown that the synergy between large scale waviness and small scale nanoasperities enhanced the overall tensile response and maximized energy dissipation. In large scale models with statistics for inclusion size and arrangement, the "raking stretcher" arrangement (found in type I collagen) was identified as having superior energy dissipation capabilities over the arrangement in columnar or sheet nacres. When enriched with waviness, the models displayed strain hardening and spread inelastic deformation over larger volumes. Strain hardening was also observed in sheet nacre and a new "stair" failure was observed, consistent with existing experiments. The hardening mechanism in sheet nacre generates jagged deformation bands forming "super overlap" and "super core" regions of several inclusions in length. Similar mechanisms may also occur in bone, which has a microstructure in many ways similar to sheet nacre. Finally, the structures, mechanisms and guidelines presented in this study can be used to optimize the design of high performance staggered synthetic materials. === Les matériaux naturels come l'os, les dents, la nacre ou la soie d'araignée offrent des combinaisons de rigidité, résistance et résilience uniques et intéressantes. Pour cette raison ces matériaux commencent à servir de modèle pour de nouveaux matériaux biomimétiques à haute performances. Remarquablement, la structure de ces matériaux aux échelles nanoscopiques ou microscopiques semble suivre un « motif universel » qui consiste en des inclusions rigides fortement allongées (fibres ou tablettes), échelonnées et collée ensemble par une matrice organique ductile et résiliente qui permet de dissiper de l'énergie mécanique de manière substantielle. Cette étude présente des règles de conception unifiées pour des composites biomimétiques bases sur la structure échelonnée et sur ses mécanismes. En particulier, la résistance a la fracture et la rigidité peuvent être augmentes avec un fort coefficient de proportion, mais ce paramètre dois rester dans certaines limites pour éviter la fracture des inclusions. Les extrémités des inclusions se comportent comme des fissures dans cette structure, et elles génèrent des singularités de contraintes dans les inclusions adjacentes. Cette découverte a conduit a une nouvelle loi de dimensionnement, et a une nouvelle explication sur les avantages de petites échelles dans les structure échelonnées naturelles. Les effets de rugosités sur les inclusions (ondulations et nano-aspérités) ont aussi été explorés, et il est démontré que ces deux échelles de rugosité opèrent en synergie pour maximiser la dissipation d'énergie. Dans les grand modèle avec des statistiques dans la microstructure l'arrangement « décalé et régulier » (que l'on trouve dans le collagène de type I) a été identifié comme la meilleure structure pour la dissipation d'énergie par rapport aux structures lamellaire et colonnaires. Avec de l'ondulation sur les inclusions les modèles montre de « l'écrouissage », et distribuent les déformations inélastique sur de plus grand volumes suivant une partition en régions « noyau » et « recouvrement ». Cet écrouissage a aussi été observe pour l'arrangement lamellaire et un nouveau mode de déformation en « escalier » a été identifie en accord avec les expériences. L'écrouissage génère des bandes de déformation en zigzag, et des régions distinctes nommées « super noyaux » et « super recouvrement ». Des mécanismes similaires peuvent opérer dans l'os, qui a une structure échelonnée à l'échelle nanoscopique. Finalement, les structures, mécanismes et règles de conceptions présentées dans cette étude vont être utilisées dans la conception de matériaux synthétiques avec arrangement échelonné a haute performances mécaniques.
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