Технология и компьютерное моделирование полимерных нанокомпозитов что это
Коллектив российских и китайских учёных посредством компьютерного моделирования исследовал структурные свойства нанокомпозита, состоящего из полиимида и наночастиц кремния с модифицированной поверхностью. В результате было обнаружено, что путём варьирования длины молекул и поверхностной плотности модификатора можно управлять свойствами композитов.
Межфазная граница матрицы и наполнителя – а точнее, тонкий переходный слой (интерфейс) между ними – во многом определяет свойства композитного материала. Чем сильнее поверхность наночастицы взаимодействует с окружающим её веществом, тем интенсивнее изменяются свойства матрицы. Величину переходного слоя можно увеличить путём использования модификатора – прикреплённых к наночастице молекул, которые изменяют характеристики её поверхности и улучшают совместимость частиц с композитом. Кроме этого, поверхностный модификатор также позволяет изготавливать композиты из компонентов, которые в чистом виде плохо смешиваются друг с другом.
«Специальные молекулы модификатора, прикреплённые к частице, способны предотвратить их слипание внутри полимера, – отмечает Павел Комаров. – Это позволяет добиться равномерного распределения частиц в матрице, и именно в этом случае можно получить материал с комбинированными свойствами».
Интерфейс служит тем звеном, через которое физические свойства наночастицы передаются матрице. «Фактически в зоне интерфейса полимер находится в иной фазе, чем на больших расстояниях от поверхности. Поэтому изучение переходного слоя – отдельная и важная задача», – говорит исследователь.
К сожалению, на данный момент не существует общей теории, описывающей механизм воздействия наночастиц на свойства композита. Такая ситуация возникает из-за слишком большого количества исходных параметров: формы наночастиц, свойств поверхности, их распределения в объёме. Поэтому исследователям зачастую приходится заниматься экспериментальным поиском – смешивать различные частицы с широко используемыми в промышленности материалами и наблюдать за изменением характеристик.
Относительно не так давно учёные обнаружили, что физические свойства ультратонких полимерных плёнок, заключённых между двумя твёрдыми поверхностями, подобны композитам с наночастицами. Это объясняется тем, что в обоих случаях большая доля полимера находится под влиянием поверхностных сил твёрдой фазы. Модель, основанную на данном подобии, при изучении свойств композита использовали исследователи Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН, Тверского государственного университета, Научно-исследовательского института промышленных технологий (Тайвань). Такое упрощение существенно облегчило моделирование физических явлений, происходящих в переходном слое.
В качестве материалов, образующих нанокомпозит, учёными были выбраны известные и доступные составляющие: полиимид – полимерная матрица, наполнитель – диоксид кремния, а поверхностный модификатор – алкилсиланил. Расчётными параметрами приняты поверхностная плотность и длина цепи молекул модификатора.
В результате компьютерного моделирования было обнаружено, что
переходный слой между матрицей и модифицированной поверхностью SiO2 формируется за счёт взаимной диффузии молекул. Если длина молекул модификатора и их поверхностная плотность достаточно большие, то из них может сформироваться отдельная фаза.
Как говорят сами исследователи, это косвенно указывает на то, что при несовместимости молекул модификатора и полимерной матрицы в нанокомпозите может произойти нежелательная агрегация частиц в процессе плавления или отвердевания материала. В то же время наибольшее взаимопроникновение модификатора в матрицу, а следовательно, и лучшая интеграция частиц в полимер, происходит при невысоких значениях поверхностной плотности привитых молекул.
Таким образом исследователи показали, что
длина молекул и плотность модификатора служат отличными параметрами, с помощью которых можно изменять поверхностные свойства наночастиц и управлять характеристиками нанокомпозитов.
Источник информации:
П. В. Комаров, И. В. Михайлов, Ю.-T. Чиу, Ш.-M. Чен Строение межфазной границы в полимерных нанокомпозитах, содержащих наночастицы с модифицированной поверхностью: атомистическое моделирование. – Российские нанотехнологии. – № 3–4. (март 2012 года).
Текст научной статьи на тему «ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К МНОГОУРОВНЕВОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ СВОЙСТВ И ПРОЦЕССОВ В ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ»
Меньшутина Н.В., доктор технических наук, профессор Гордиенко М.Г., кандидат технических наук, зам. руководителя научно-исследовательской части Иванов С.И., аспирант Матасов А.В., кандидат технических наук, начальник управления информационных технологий (Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева)
ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К МНОГОУРОВНЕВОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ СВОЙСТВ И ПРОЦЕССОВ В ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ
Статья посвящена рассмотрению различных подходов к моделированию таких сложных систем, как полимерные нанокомпозиты (ПНК), содержащие различные виды «твердых» и «мягких» включений. Предложена структура многоуровневого моделирования механических, физико-химических свойств ПНК и процессов их деформации, разрушения, растворения, водопоглощения и адгезии. Показана необходимость использования высокопроизводительных параллельных вычислений при многоуровневом моделировании.
Ключевые слова: полимерные нанокомпозиты, многоуровневое моделирование, механические и физико-химические свойства нанокомпозитов, параллельные вычисления.
BASIC APPROACHES TO MULTI-LEVEL MODELING OF PROPERTIES AND PROCESSES IN POLYMER NANOCOMPOSITES
The article deals with the multi-level approaches to the modeling of complex systems such as polymer nanocomposites (PNC) containing various types of "hard" and "soft" inclusions. The structure of a multilevel simulation of mechanical, physical and chemical properties of the PNC and the processes of their deformation, destruction, dissolution, water absorption and adhesion. The usability of high-performance parallel computing for multi-level modeling was showed.
Keywords: polymer nanocomposites, multi-level modeling, mechanical and physicochemical properties of nanocomposites, parallel computing.
Полимерные нанокомпозиты (ПНК) - это новые сложные по структуре материалы. Для моделирования процесса структурообразования ПНК, определения оптимального компонентного состава и предсказания механических, физико-химических свойств необходимо использовать методологию многоуровневого моделирования и рассматривать ПНК как сложную систему.
Методологии моделирования сложных систем активно развивались в прошлом столетии 1 и активно используются в настоящее время. Инструментом анализа сложных систем служит системный анализ [5]. На рис. 1 показаны основные уровни рассмотрения ПНК - как сложной физико-химической системы.
Рис. 1. Многоуровневая структура изучения новых материалов
Для каждого уровня иерархии (наноуровень, микроуровень и мезоуровень) существуют свои подходы к моделированию структуры, явлений и процессов:
наноуровень: молекулярная динамика, квантовая механика, метод Монте-Карло, теория фракталов;
микроуровень: неравновесная термодинамика, броуновская динамика, динамика диссипации частиц, теория самоорганизации в неравновесных системах, решетка Больцмана, клеточные автоматы, ограниченная диффузией агрегация, теория перколяции;
мезоуровень: механика сплошных сред, механика гетерогенных сред, микромеханика, неравновесная термодинамика, синергетика и различные другие теории, подходы и методы.
В данной работе, была поставлена задача моделирования механических и физико-химических свойств полимерных нанокомпозитов и процессов их деформации, разрушения, растворения, водопоглощения и адгезии. На рис. 2 представлена структура многоуровневого моделирования ПНК.
Рис. 2. Структура многоуровневого моделирования ПНК
Выделено три уровня моделирования: нано-, микро- и мезоуровень. Каждому уровню соответствуют свои подходы при моделировании. Использование различных теорий, подходов и методов в многоуровневом моделировании потребует использования высокопроизводительных параллельных вычислений и развития алгоритмов передачи информации при переходе между иерархическими уровнями.
На наноуровне для оценки геометрии размеров и «мягкого» включения - модификатора использована молекулярная динамика совместно с методом Монте-Карло. По результатам расчетов данного уровня моделирования на микроуровень будет передана информация об углах и длинах отдельных участков молекул, что позволит представить молекулу модификатора в 3Б пространстве, и поможет для микроуровня определить размеры «мягких» включений, а, следовательно, размеры в описании структуры и размеры ячейки и для клеточных автоматов.
На микроуровне для описания структуры использован метод ограниченной диффузией агрегации (БЬЛ), который обладает рядом преимуществ:
а) хорошо описывает заполняемость локального объёма различными включениями и полимерной основой между ними;
б) возможность распараллеливания при расчетах;
в) высокая адекватность модельных представлений реальному полимеру.
Несомненным преимуществом алгоритма БЬЛ является возможность генерировать как
двухмерные, так и трёхмерные структуры.
Для моделирования основных свойств и характеристик ПНК выбраны клеточные автоматы (КА). КА - это новый, перспективный тип моделирования, сочетающий статический и детерминированный подходы к моделированию; математическое и имитационное моделирование. Клеточно-автоматная модель строится на интуитивно понятном уровне и хорошо отображает как природные структуры, так и структуры новых созданных человеком материалов. КА модель (дискретная модель) рассматривает регулярную решетку ячеек, каждая из которых может находиться в одном из конечного множества состояний. Решетка может быть любой размерности. Для каждой ячейки определено множество ячеек, называемых соседством. Для работы клеточного автомата требуется задание начального состояния всех ячеек, и правил перехода ячеек из одного состояния в другое. На каждой итерации, используя правила перехода и состояния соседних ячеек, определяется новое состояние каждой ячейки. Основное развитие КА модели получили в XXI веке с появлением возможности вести параллельные вычисления, так как их структура позволяет достаточно легко это сделать.
Таким образом, КА модель выбрана для описания таких процессов и явлений в ПНК в силу следующих преимуществ:
а) возможность использования в высокопроизводительных параллельных вычислениях;
б) интуитивно-понятно представление структуры и процессов в ПНК;
в) возможность соединения имитационного и математического моделирования;
г) визуализация результатов.
На основании модели структуры ПНК с использованием клеточных автоматов моделируются основные свойства и характеристики полимера: деформация, разрушение, растворение, водопоглощение, адгезия.
Кроме того, в КА модели будут использованы основные положения микромеханики, соответствующей мезоуровню, и их приложения к полимерам и наполнителям: модель Хапли-на-Тцая и Мори-Танака, позволяющие предсказывать свойства полимеров с «твердыми» и «мягкими» включениями различной геометрии.
Все три уровня моделирования связаны между собой специальными методами передачи информации. Для всех уровней необходимо использование высокопроизводительных параллельных вычислений и визуализация результатов. В ходе программной реализации предложенных моделей будут использоваться различные уровни распараллеливания (параллелизм
на уровне алгоритмов и программных средств), а также применяться различные вычислительные технологии MPI, OpenMP, CUDA.
Таким образом, рассмотренные подходы к многоуровневому моделированию свойств и процессов в полимерных нанокомпозитах, использование высокопроизводительных вычислений в расчетах по моделям, значительно ускорят научные исследования и создание полимерных материалов нового поколения.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ГК №14.514.11.4054.
1. Zeng Q.H., Yu A.B., Lu G.Q. Multiscale modeling and simulation of polymer nanocomposites // Prog. Polym. Sci. 33 (2008) 191-269
2. Doros N. Theodorou. MULTISCALE MODELING OF POLYMERS // S. Yip (ed.),Handbook of Materials Modeling, 2757-2761. 2005 Springer. Printed in the Netherlands
3. Maurizio Fermeglia and Sabrina Pricl. Multiscale Molecular Modelling of Dispersion of Nanoparticles in Polymer Systems of Industrial Interest // R. Pyrz and J.C. Rauhe (eds.), IUTAM Symposium on Modelling Nanomaterials and Nanosystems, 261-270. Springer Science+Business Media B.V. 2009
5. Кафаров В.В. Системный анализ процессов химической технологии. М., 1976. 496 с.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
В этой статье представлен краткий обзор новых, уже хорошо известных и чрезвычайно перспективных наноматериалов, которые называются нанокомпозитами. Нанокомпозиты обладают превосходными физическими и химическими свойствами благодаря своей структуре и могут применяться в самых разных областях, включая производство электроники и новых материалов, в медицине и в экологии, в аэрокосмической и автомобильной отраслях.
Текст научной статьи на тему «МНОГОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ»
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2011, том 74, № 11, с. 1649-1669
МНОГОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета, Россия Поступила в редакцию 21.12.2010 г.; после доработки 03.05.2011 г.
Рассмотрены существующие методы многомасштабного моделирования полимерных нанокомпозитов, которые в настоящее время считаются одними из наиболее перспективных материалов для применения в различных научно-технических областях. Проанализированы факторы, влияющие на структуру и свойства полимерных нанокомпозитов, такие, как свойства нанообъектов, используемых в качестве наполнителя, особенности взаимодействия между наполнителем и полимерной матрицей, равномерность распределения наполнителя в объеме полимера. Показано, что для надлежащего учета каждого фактора необходимо применение конкретных методов моделирования, и выбрана оптимальная схема многомасштабного моделирования полимерных нанокомпозитов. Приведены некоторые результаты расчетов, выполненных в рамках описанного подхода.
В настоящее время композиционные материалы находят широкое применение в различных научно-технических областях. Особое внимание уделяется сейчас созданию нанокомпозитов разных типов, эксплуатационные свойства которых могут во многом превосходить свойства традиционно используемых материалов. С применением нанокомпозитов теснейшим образом связано, например, развитие авиационной и космической техники, атомной энергетики и ряда других областей, в которых необходимо использование легких высокопрочных материалов, способных сохранять свои свойства при высоких температурах, в условиях воздействия радиации и т.д. Наиболее перспективными с точки зрения достижения требуемого сочетания эксплуатационных свойств являются, по-видимому, полимерные нанокомпозиты. Поэтому на разработку технологий создания таких материалов и изучение их свойств направлены усилия многих исследователей.
Свойства полимерных нанокомпозитов в значительной степени определяются их структурными особенностями, которые, в свою очередь, зависят от специфики процессов взаимодействия нанообъ-ектов, используемых в качестве наполнителя, с полимерной матрицей. Эффективным методом изучения таких процессов и структуры полимерных нанокомпозитов является математическое моделирование. Сложность исследуемых объектов требует применения многомасштабного моделирования,
основывающегося на различных физических моделях и математических методах. Настоящая работа посвящена рассмотрению существующих подходов к многомасштабному моделированию полимерных нанокомпозитов и выбору оптимальных способов его реализации.
2. ОСОБЕННОСТИ НАНОКОМПОЗИТОВ
Наноструктурированными или наноструктур-ными материалами (наноматериалами) называют материалы, в состав которых входят структурные элементы различной конфигурации: частицы (зерна), волокна, трубки, пленки и др., хотя бы один линейный размер которых лежит в диапазоне 1 — 100 нм [1]. Наноматериалы обладают уникальными механическими, тепловыми, оптическими и электрофизическими характеристиками. Это объясняется действием размерных эффектов, которые возникают при размерах структурных элементов менее 100 нм. В таком случае размеры структурных элементов становятся сопоставимыми с некоторыми параметрами вещества, оказывающими значительное влияние на его свойства. Эти параметры могут характеризовать процессы, описываемые в рамках классической физики или на основании квантовомеханических представлений. Для классических размерных эффектов в качестве указанных параметров могут рассматриваться длина свободного пробега заряженных частиц в веществе, диффузионная длина и т. п., а для квантовых размерных эффектов соответствующим параметром чаще всего служит длина волны де Бройля [2—5].
Композиционные материалы (композиты) состоят из двух или более материалов (фаз) с четкой межфазной границей, при этом композиция приобретает новые свойства, не присущие каждой из ее составляющих в отдельности. Обычно в зависимости от состава матрицы нанокомпозиты делят на три основные группы: полимерные, керамические и металлические (на основе металлической матрицы). Дополнительно нанокомпозиты принято разделять на основании геометрической формы наполнителя (сферические частицы или зерна, цилиндрические волокна, плоские пластинки), поскольку она может оказывать существенное влияние на макроскопические свойства материала. В качестве зерен в нанокомпозитах используются частицы металлов, оксидов металлов, керамики, размер которых составляет от единиц до нескольких десятков нанометров. Наиболее широко используемые нановолокна — это однослойные или многослойные углеродные нанотрубки (УНТ), диаметр которых лежит в аналогичном диапазоне, а длина может составлять сотни нанометров, а также углеродные нановолокна, отличающиеся от УНТ структурой и большим диаметром (50—200 нм). Композиты с наноразмерными (с поперечными размерами 100— 500 нм и толщиной около 1 нм) пластинками из слоистых неорганических структур, содержащихся в глинах, обычно называют слоистыми нанокомпо-зитами [3, 6].
По сравнению с микрокомпозитами свойства нанокомпозитных материалов в ряде аспектов существенно улучшаются. Внедренные в матрицу наноразмерные наполнители обладают высокой удельной поверхностной площадью (например, для сферических частиц отношение поверхностной площади к объему уменьшается обратно пропорционально их радиусу), что вызывает значительный рост площади межфазных границ между наполнителем и матрицей. Избыточная поверхностная энергия наполнителей и напряжение, накапливающееся на этих границах, приводят к нарушению термодинамического равновесия между фазами и влияют на конечную структуру нанокомпозита [4]. Свойства интерфейса — области, в которой сосредоточено взаимодействие между наполнителем и матрицей, — могут отличаться от свойств первоначального материала, причем весьма существенно. Можно показать, что даже при достаточно низких объемных долях наполнителя в композите (5—15%) расстояние между ними очень мало: например, для равномерно распределенных сферических частиц диаметром 10 нм среднее расстояние между частицами составляет всего ~12 нм при содержании по объему 5% и только 5 нм при 15% [7]. Очевидно, что при таких расстояниях между наполнителями интерфейс нельзя рассматривать как тонкий слой, разделяющий наполнитель и
"обычный" полимер, — в некотором роде всю матрицу можно считать частью "расширенного" интерфейса [7, 8].
Перечисленные выше особенности приводят к изменению ряда закономерностей, действующих для микро- и макрообъектов. Например, в традиционных композитах с ростом концентрации проводящих наполнителей в диэлектрической матрице наблюдается резкое (на несколько порядков) увеличение электропроводности композита, называемое перколяцией [9]. Порог перколяции, т.е. доля наполнителей, при которой происходит такой рост электропроводности, в случае микронаполнителей обычно равен нескольким процентам. Экспериментальные данные и результаты компьютерного моделирования показывают, что для наноразмерных наполнителей порог перколяции существенно снижается и в случае однослойных УНТ составляет доли процента [9]. Значительно более низкая концентрация наполнителей при перколяции является важным преимуществом — в большинстве случаев итоговый вес нанокомпозита заметно ниже, чем микрокомпозита при аналогичных значениях электропроводности. Также можно говорить об изменении понятия "вязкости" для нанокомпозитных материалов: в полимерной матрице механизмы "нано-вязкости", оказывающей влияние на наночастицы, и "макровязкости", действующей на более крупные объекты, могут отличаться друг от друга [ 10]. Эти понятия крайне важны для разработки самоизлечивающихся (self-healing) материалов, в которых процесс устранения образующихся дефектов может быть непосредственно связан с диффузией наноразмерных частиц.
Одним из наиболее перспективных видов нано-композитов являются композиты на основе различных полимерных матриц. Внедрение нанораз-мерных наполнителей в полимерный материал позволяет существенно повысить его механическую прочность. Подобные легкие и прочные материалы наиболее востребованы в аэрокосмической отрасли, где чрезвычайно важным фактором является вес конструкций. Кроме того, имеющаяся возможность широкого варьирования сочетаний полимерных матриц и различных наполнителей позволяет направленно создавать композиты с требуемыми свойствами, в результате чего можно использовать полимерные нанокомпозиты в качестве разнообразных функциональных, а также интеллектуальных (smart) материалов [2, 3].
3. ПРИНЦИПЫ МНОГОМАСШТАБНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Задача моделирования нанокомпозитов с целью предсказания их макроскопических свойств
является крайне сложной, поскольку эти свойства зависят от структурных параметров и процессов, относящихся к различным пространственным масштабам — от размеров атомов и молекул до размеров рассматриваемых изделий. Как уже отмечалось выше, свойства нанокомпозитов во многом определяются их наноструктурой и физико-химическими процессами, происходящими в на-номасштабах. Следовательно, при математическом описании свойств и поведения различных объектов, созданных с использованием наноматериалов, необходимо принимать во внимание и уметь моделировать процессы, протекающие в наноразмер-ных структурах, а также выявлять и учитывать в моделях разнообразные связи указанных процессов с процессами, характерными для других пространственных масштабов [2].
Таким образом, в общем случае приходится использовать многомасштабное (multiscale) моделирование, основанное на применении некоторой совокупности расчетных методов, размерно-временная (d—t) иерархия которых представлена на рис. 1. При описании многомасштабного моделирования принято выделять пять наиболее существенных и принципиально отличающихся друг от друга групп методов [11 — 14].
Первую группу методов, основанных на решении квантовомеханических уравнений и действующих на оч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
Применение нанокомпозитных материалов
Нанокомпозиты благодаря своим впечатляющим физическим и химическим характеристикам способны принести пользу в самых разных сферах производства, электроники и даже медицины.
Например, исследователям, занимающимся нанокомпозитами, удалось изобрести метод создания анодов из кремниевых наносфер и углеродных наночастиц для литиевых элементов питания. Аноды, изготовленные из кремниево-углеродного нанокомпозита, намного более плотно прилегают к литиевому электролиту, уменьшая вследствие этого время зарядки или разрядки устройства. Из нанокомпозитов, состоящих из целлюлозной основы и нанотрубок, можно производить токопроводящую бумагу. Если такую бумагу поместить в электролит, появится нечто вроде гибкой батареи. Также в электронной промышленности нанокомпозиты собираются применять для получения термоэлектрических материалов, демонстрирующих сочетание высокой электропроводности с низкой теплопроводностью.
Рис. 3.
Особое место в разработке нанокомпозитных материалов занимает графен. Нанокомпозит, содержащий графен и олово, представленный группой ученых из Национальной Лаборатории им. Лоуренса Беркли Департамента Энергетики Правительства США (the U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory), способен заметно увеличить емкость литий-ионных аккумуляторов и уменьшить их вес.
Недавно было установлено, что добавление графена к эпоксидным композитам приводит к увеличению жесткости и прочности материала по сравнению с композитами, содержащими углеродные нанотрубки. Графен лучше соединяется с эпоксидным полимером, более эффективно проникая в структуру композита. Нанокомпозиты на основе графена можно использовать при производстве компонентов авиатехники, которые должны оставаться одновременно легкими и устойчивыми к физическому воздействию.
Нанокомпозиты на основе полимерных матриц и нанотрубок способны изменять свою электрическую проводимость за счет смещения нанотрубок относительно друг друга под влиянием внешних факторов. Это свойство можно применить для создания микроскопических сенсоров, определяющих интенсивность механического воздействия за сверхкороткие промежутки времени.
Рис. 4.
Ученые также надеются, что
нанокомпозиты помогут ускорить восстановление структуры поврежденных костей, если вдоль них установить направляющие рост и регенерацию тканей костей шарниры, сделанные из полимерного нанокомпозита, содержащего нанотрубки. А в 2012 другая группа исследователей предложила использовать нанокомпозиты в стоматологии для восстановления зубной эмали. Есть уверенность и в том, что если соединить магнитные частицы с флуоресцирующими частицами, появится возможность получить материал, которому присущи оба эффекта. За счет магнитных качеств такого нанокомпозита можно быстрее и проще обнаружить опасные образования в организме, а во время оперативного вмешательства подсветка облегчит работу хирургам.
Рис. 5.
Нанокомпозиты, содержащие частицы оксида циркония и обладающего отличными каталитическими свойствами, по мнению синтезировавших их ученых из Ирана, пригодятся не только в фармакологии и медицине, но и в процессе очистки объектов окружающей среды от органических загрязнителей, а также для их переработки в безопасные материалы («зеленая химия»).
Рис. 6.
В автомобильной промышленности из нанокомпозитных материалов можно изготавливать различные элементы интерьера, электронного оборудования, систем безопасности, шин, модулей двигателей автомобилей. Это позволит снизить общий вес конструкции, сократить выбросы углекислого газа, увеличив помимо того и эффективность самого двигателя, снизить износ деталей и частей корпуса, повысить прочность автомобильного кузова и надежность бортовой электроники.
The finite element analysis of the concrete structural element was made with taking into account internal contact interactions between cement matrix and filler grains. Two models of composite material were analyzed: the model with brick filler grains and the model with spherical filler grains. The contact interaction takes place between filler grains and matrix. The dry friction and the presence of cohesion are considered. The obtained results both for brick and spherical filler grains show that when the friction coefficient and cohesion values increase the stiffness of the structural element increases either. At the same time the deformation has minimal changes. The maximal stresses in the reinforcing grains are 30–50 % higher than in the composite matrix. Also there are local areas in the matrix which are stretched. Computational results also demonstrated that for some friction coefficient values there is no slipping between grains and matrix under the applied load. The coupling between brick grains and matrix is ensured by less cohesion and friction coefficient values in comparison with the spherical ones. At the same time significant stresses appear in the areas near brick edges and they can cause cracking of the material structure. The stress distribution for the matrix with spherical filler grains is more even.
The finite element analysis of the concrete structural element was made. This structural element included cement matrix and filler grains. Two models of composite were analyzed: with rigid connection of the matrix and the filler and with taking into account internal contact interactions. Based on above mentioned models the comparison of stress-strain state of a composite with filler grains was done. The peculiarities of stress distribution in composite elements and contact pressures on the filler surface were established. There were made computations to analyze the influence of the matrix elastic modulus and the cohesion between the phases of the composite on the construction stress-strain state. The factors influencing the composite structure strength under the loads applied to it were determined.
The finite-element modeling of building constructions with the glass-fiber reinforced plastic and reinforcement on the base of basalt fibers has been carried out. The friction between reinforcement and composite matrix has been taken into account. The analysis of the stress-strain condition for the loaded beam with various physical characteristics of the reinforcement has allowed to define the elasticity modulus of the reinforcement when its relative displacement inside the matrix stops. (C) 2012 Published by Elsevier Ltd.
In this paper, a small deformation Voronoi Cell finite element model is developed for damage in particle reinforced composite materials by particle cracking and splitting. It incorporates a ductile elastic-plastic matrix material containing any dispersion of brittle elastic inclusions of arbitrary shapes and sizes. Damage initiation by micro-cracking or splitting of the inclusions is assumed to follow a maximum principal stress theory or Rankine criterion. Complete particle cracking or splitting is assumed at the onset of damage. The model accounts for microstructure evolution through progressive particle fracture in complex morphologies without any user interference. Various micro-structural morphologies are simulated to verify the effectiveness of the model. Analysis of real microstructures from optical micrographs of AlSiMg composite systems, is conducted to demonstrate the promise of this numerical model.
The composite limit flow stress for transverse loading of metal matrix composites reinforced with aligned continuous fibers is investigated by recently developed embedded cell models in conjunction with the finite element method. A circular fiber is surrounded by a metal matrix, which is again embedded in the composite material with the mechanical behaviour to be determined iteratively in a self-consistent manner. Stress-strain curves obtained by using the embedded cell model are compared with those of the corresponding Al/46 vol% B composite with random 2D fiber packing. The comparison shows good agreement between experiment and simulation. Systematic studies of the stress-strain curves with the embedded cell model for a circular fiber surrounded by a square, circular, elliptical or rectangular shaped metal matrix result in almost the same composite limit flow stress. Furthermore, these random 2D fiber arrangements are compared with regular 2D fiber arrangements. It is found that the strength of composites with randomly arranged fibers cannot be described by modelling regular fiber arrangements. The composite limit flow stress calculated from embedded cell models lies between that of the hexagonal arrangement and the square arrangement of fibers loaded transversely. Finally, a model is derived for describing composite strengthening for regular and random fiber arrangements in dependence of matrix hardening and fiber volume fraction.
Виды нанокомпозитных материалов
В зависимости от типа основной матрицы, занимающей большую часть объема нанокомпозитного материала, нанокомпозиты принято подразделять на три категории.
- Нанокомпозиты на основе керамической матрицы улучшают оптические и электрические свойства первоначального материала (керамического соединения, состоящего из смеси оксидов, нитридов, силицидов и т.д.).
- В нанокомпозитах на основе металлической матрицы так называемым усиливающим материалом (нанокомпонентом) часто служат углеродные нанотрубки, повышающие прочность и электрическую проводимость.
- Наконец полимерные нанокомпозиты содержат полимерную матрицу с распределенными по ней наночастицами или нанонаполнителями, которые могут иметь сферическую, плоскую или волокнистую структуру.
Рис. 2.
Именно полимерные нанокомпозиты особенно востребованы в последнее время, потому было предложено много различных вариантов нанонаполнителей, усиливающих и изменяющих свойства полимеров.
В качестве матрицы в этом виде нанокомпозитов применяют полипропилен, полистирол, полиамид или нейлон, а нанокомпонентами выступают частицы оксидов алюминия или титана, либо углеродные, а также кремниевые нанотрубки и волокна. Нанокомпозиты на основе полимеров отличаются от обычных полимерных композитных материалов меньшим весом и при этом большей ударопрочностью и износостойкостью, а также хорошим сопротивлением химическим воздействиям, что позволяет использовать их в военных и аэрокосмических разработках.
Главное условие для создания полимерного нанокомпозита с необходимыми свойствами заключается в полной совместимости основного материала и добавляемых к нему наночастиц, однако не менее важно для конечного результата правильно распределить наночастицы на полимере.
Потому производство нанокомпозитов представляет собой высокотехнологичную отрасль и требует проведения серьезных научных исследований в области нанотехнологий.
Структура нанокомпозитов
В научном издании “Nanocomposite science and technology” нанокомпозит определяется как многокомпонентный твердый материал, в котором один из компонентов в одном, двух или трех измерениях имеет размеры, не превышающие 100 нанометров; также под нанокомпозитами понимаются структуры, состоящие из множества повторяющихся компонентов-слоев (фаз), расстояние между которыми измеряется в десятках нанометров.
Рис. 1.
Хотя подобный термин иногда употребляют для обозначения коллоидов, гелей или ко-полимеров, в первую очередь его следует соотносить с классом твердых образований, состоящих из основной матрицы и наноразмерного компонента, различающихся между собой по структурным параметрам и химическим свойствам.
При этом механические, электрические, термические, оптические и иные характеристики нанокомпозитов заметно разнятся со свойствами обыкновенных композитных материалов, изготовленных из тех же базовых веществ или элементов.
Хотя нанокомпозиты можно встретить в природных объектах, к примеру, в костях живых организмов, нас больше интересует, как производятся и применяются искусственные нанокомпозитные материалы. Использовать нанокомпозиты начали еще в середине прошлого века, когда еще полностью не представляли себе их физическую и химическую сущность.
Первыми нанокомпозитными материалами были реологические органоглины, полученные для нужд промышленности, и косметические средства.
Читайте также: