Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ НАПОЛНЕННЫХ НЕРАВНООСНЫМИ НЕОРГАНИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Громов С.В. 1
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
В работе приведены результаты численного моделирования деформирования и разрушения наполненных неравноосными неорганическими включениями (короткие волокна, многостенные углеродные нанотрубки, трубки, пластинчатые включения) композиционных материалов. Использование высокопрочных и высокомодульных волокон позволяет создавать композиционные материалы, обладающие малой массой, управлять физико-механическими, электрическими, теплофизическими свойствами, регулировать анизотропию этих характеристик, обеспечивая достижение максимальных характеристик в выбранном направлении. Указанные возможности позволяют применять такие материалы для создания конструкций с высокой весовой эффективностью для различных областей применения. Назначение материала, требования, регламентирующие условия его работы в изделиях, определяют выбор схемы армирования, материала матрицы и армирующего наполнителя. Необходимость обеспечить высокую пластическую деформацию композиционного материала делает целесообразным применение в качестве материала матрицы термопластичных полимеров, способных переходить в высокоэластичное состояние и не претерпевающих химических превращений в процессе нагрева и охлаждения.
армирование
ассиметричные включения
прочностные характеристики
адгезия
структура
композиционный материал
углеродное волокно
нанотрубки
сверхвысокомолекулярный полиэтилен
полимерные композиционные материалы
многоуровневое моделирование
1. Евстафьев О.И., Копысов С.П. Моделирование структуры и физико-механических свойств полиэтилена с шунгитовым наполнителем // Химическая физика и мезоскопия. - 2007. - Vol. 10, № 1. - P. 25–31.
2. Khan M.R. et al. Elastic Properties of UHMWPE-SWCNT Nanocomposites’ Fiber: An Experimental, Theoretic, and Molecular Dynamics Evaluation // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2013. - № Ref 16.
3. Maksimkin A.V., Kaloshkin S.D., Kaloshkina M.S., Gorshenkov M.V., Tcherdyntsev V.V., Ergin K.S., Shchetinin I.V. Ultra-high molecular weight polyethylene reinforced with multi-walled carbon nanotubes: Fabrication method and properties // Journal of Alloys and Compounds. - 2012. - V. 536. - P. S538-S540.
4. Ren LQ, Liu CZ, Jiang M, Tong J, Zhao YG and Li JQ. Characteristics and mechanism of abrasive wear of particle reinforced UHMWPE matrix composites // Tribology. – 1997. - № 17. - P. 334–339.
5. Shoufan Cao, Hongtao Liu, Shirong Ge, Gaofeng Wu Mechanical and tribological behaviors of UHMWPE composites filled with basalt fibers // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 2011. – 30 (4). – P. 347–355.

Введение

Использование высокопрочных и высокомодульных волокон позволяет создавать композиционные материалы, обладающие малой массой, управлять физико-механическими, электрическими, теплофизическими свойствами, регулировать анизотропию этих характеристик, обеспечивая достижение максимальных характеристик в выбранном направлении. Указанные возможности позволяют применять такие материалы для создания конструкций с высокой весовой эффективностью для различных областей применения.

Назначение материала, требования, регламентирующие условия его работы в изделиях, определяют выбор схемы армирования, материала матрицы и армирующего наполнителя. Необходимость обеспечить высокую пластическую деформацию композиционного материала делает целесообразным применение в качестве материала матрицы термопластичных полимеров, способных переходить в высокоэластичное состояние и не претерпевающих химических превращений в процессе нагрева и охлаждения [3-5].

В настоящей работе решалась задача численного моделирования последствий механических воздействий на указанные полимерные нанокомпозиты, содержащие асимметричные включения.

Методика численного моделирования

В работе проводился расчет огрубленной (coarse-grained) мезоскопической модели. Моделировалась полиэтиленовая матрица, состоящая из 10 молекул полиэтилена из 5000 мономеров CH2. В coarse-grained модели полимер состоял из суператомов, которые представляют мономеры CH2.

Для молекулярно-динамического расчета использовалась комбинация гармонического потенциала, потенциала валентного угла и потенциала Леннарда-Джонса благодаря своей простоте и универсальности. Полная энергия полимера состоит из следующих частей [1].

1. Гармонический потенциал между соседними суператомами, соединенными химической связью:

kr = 700 ккал/моль, r0 = 1.557 Å.

2. Потенциал, зависящий от изменения валентного узла между соседними суператомами:

kθ = 112 ккал/моль, θ0 = 112 град

Рисунок 1. Пример огрубленной модели с углеродными нанотрубками.

3. Потенциал Леннарда-Джонса для описания Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия между атомами, не связанными химической связью:

u = 0.113266 ккал/моль, σ = 4.28 Å.

Для ускорения генерации полиэтиленовой матрицы при плотности ~1 г/см3 сначала создавалась матрица плотностью 0.074375 г/см3, и в молекулярно-динамическом расчете производилось 3-осное сжатие до плотности 0.97 г/см3 при 500 K. Затем в течение 0.3 пс температура понижалась до 250 К для получения стеклообразного состояния полиэтилена.

Примеры начальных структур показаны на рисунках 1 и 2.

Рисунок 2. Пример огрубленной модели с углеродными нанотрубками (молекулы полимера не показаны)

Деформирование образца моделировалось путем одноосного растяжения с различными скоростями (показано на рисунке 3). Напряжение дано в относительных единицах. Для используемой модели CG-потенциала 106 отн. ед. = 20 МПа. Черная и красная линия соответствуют скоростям растяжения, отличающимся на порядок величины.

Рисунок 3. Зависимость напряжения в образце от величины относительной деформации

Результаты показывают наличие слабой зависимости напряжения в образце от скорости растяжения. Однако ее влияние не превышает требуемого уровня точности для расчета (как в данном примере) предела текучести нанокомпозитного материала (10%).

Рисунок 4. Качественный пример выходных данных

Рассчитанные значения напряжения и модуля упругости при одноосном растяжении аморфного полиэтилена Сравнение полученных с помощью МД-моделирования данных с экспериментальными приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Значения напряжения и модуля упругости для UHMWPE

 

МД

Эксперимент

Напряжение при 1% растяжения, МПа

48.6

37.1±1.8

Модуль упругости, ГПа

4.8

3.7±0.17

Расхождение данных молекулярно-динамического моделирования с экспериментальными можно объяснить, в частности, значительной разницей молекулярных масс и числа мономеров в полиэтилене.

Функциональных форм для подобного эмпирического описания потенциалов предложено большое количество. Например, в [2] используется потенциал, представленный следующими компонентами:

b = 13.74302 эВ/Å2, l0 = 1.53 Å,

θ0 = 109.47 град, α1 = 5.2038893˟10-4 эВ/град2, α2 = 4.9955775˟10-6 эВ/град3,

,

где r0, l0 – равновесные длины связи, θ0 – равновесное значение угла между соседними атомами в молекуле.

Рисунок 5. Вклады в суммарную потенциальную энергию молекулярной системы

Анализ энергетических параметров молекулярной системы (рис. 5) свидетельствует о том, что основным механизмом механического поведения нанокомпозита при одноосном растяжении является деформация валентных углов; энергии химических связей, парных и торсионных взаимодействий остаются практически неизменными.

Выводы

В данной работе методом молекулярно-динамического моделирования исследована структура и физико-механические свойства полиэтилена. Для определения эффективных упругих характеристик моделировалось различные типы деформирования образца: одноосное растяжение и нагружение образца внешним давлением.

Результаты показывают наличие слабой зависимости напряжения в образце от скорости растяжения. Также показано, что основным механизмом механического поведения нанокомпозита при одноосном растяжении является деформация валентных углов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», государственный контракт 01 марта 2013 г. № 14.514.11.4053.

Рецензенты:

Кривоножко В.Е. д.ф.-м.н., заведующий кафедрой АСУ НИТУ «МИСиС», г. Москва.

Красильников О.М., д.ф.-м.н., профессор НИТУ «МИСиС», г. Москва.


Библиографическая ссылка

Громов С.В. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ НАПОЛНЕННЫХ НЕРАВНООСНЫМИ НЕОРГАНИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=10278 (дата обращения: 11.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074