Long-range order in the heterogeneous materials architected on various crystal lattices, which have been extensively explored for various engineering functionalities, often culminates in undesirable, intrinsic anisotropy in elasticity and inelasticity in diverse mechanical loading scenarios. In this research, we combine experiments and numerical simulations to design heterogeneous materials that exhibit nearly isotropic elasticity and inelasticity in extreme mechanical deformation events. We design two types of disordered morphologies: dispersed-particle morphology and its interpenetrating counterpart. Representative volume element (RVE) for dispersed-particle morphology is constructed by distributing a finite number of spheres in the unit cube. Then, we generate its interpenetrating counterpart using a simple tessellation via the spatial random points seeded for the dispersed-particle morphology. We then fabricated prototypes for the RVEs of both disordered morphologies using a multi-material 3D printer and conducted large strain mechanical tests on the 3D-printed prototypes under diverse cyclic loading scenarios. Altering the connectivity throughout the disordered network significantly impacted key elastic and inelastic features, including initial stiffness, flow stresses, energy dissipation, and elastic-inelastic shape recovery in the two morphologies upon cyclic loading and unloading conditions. Furthermore, the 3D-printed prototypes with interpenetrating morphology exhibited more robust resilience and energy dissipation performance under repeated loading and unloading cycles. We also examined anisotropy in both morphologies in experiments and numerical simulations. Interestingly, our experiments and numerical simulations disclosed that the interpenetrating morphology exhibited near-complete isotropy in both elasticity and inelasticity with a ``small" number of random spatial points over a range of volume fractions of constituents. Overall, we show that the interpenetrating morphology holds great promise for designing and manufacturing heterogeneous architectures that exhibit isotropic resilience and dissipation under extreme mechanical environments.
등축정계 기반의 기하구조를 갖는 이종 물질은 설계의 편의성으로 인하여 여러 분야에서 오랜 시간 연구되어 왔지만 본질적으로 발생하는 이방성으로 인하여 탄성 및 비탄성 영역에서 방향 의존적인 성질을 갖고 있다. 본 연구에서는 극한 변형 조건 속에서도 탄성 및 비탄성 영역에서 등방성을 보이는 두 종류 형태의 무작위 구조, 분산형 구조과 연결형 구조를 설계 및 제작하였다. 우리는 다중 재료 3D 프린터를 이용하여 두 종류 무작위 구조들의 시편을 제작하고 대변형 반복 압축 실험을 수행하하였으며 서로 다른 물질 사이의 연결성이 강성, 유동 응력, 에너지 소산을 포함한 주요 기계적 특성 향상에 매우 큰 기여를 한다는 것을 확인하였다. 더하여 연결형 형상을 갖는 무작위 구조는 반복 하중 조건에서도 별도의 처리 없이 시간이 지나면 형상 회복이 가능하며 반복적인 에너지 소산 능력을 보였다. 실험 및 수치 해석을 통하여 두 종류 구조에서 등방성을 확인하였으며 연결형 구조는 적은 숫자의 무작위 점 정보에서도 탄성 및 비탄성 영역에서 등방성에 가까운 기계적 특성을 보였다. 종합적으로, 본 연구에서 제안한 연결형 구조의 적용을 통하여 임의의 극단적 하중 조건에서도 등방성 형상 회복 및 에너지 소산을 통해 신뢰할 수 있는 기계적 거동을 보이는 재료 및 구조시스템의 설계가 가능할 것이다.
