Ανάλυση πολλαπλών κλιμάκων για την διερέυνηση της μηχανικής συμπεριφοράς δοκιμίου από βισκοελαστικό υλικό ενισχυμένο με νανοσωλήνες άνθρακα υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση

Abstract

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εξετάζονται οι μηχανικές ιδιότητες καθώς και η ικανότητα απόσβεσης ταλαντώσεων, δοκιμίου αποτελόύμενο από πλαστικό υλικό ενισχυμένο με νανοσωλήνες άνθρακα (ΝΣΑ), που υπόκειται σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Ειδικώτερα μελετάται η επίδραση της διεπιφανειακής διατμητικήςαντοχής (ΔΔΑ)του υλικού και των τάσεων που αναπτύσσονται στην διεπιφάνεια μεταξύ του νανοσωλήνα και της μήτρας του πολυμερούς, στις προαναφερθείσες ιδιότητες του νανοσύνθετου υλικού. Οι προσομοιώσεις που παρουσιάζονται βασίζονται σε αναλύσεις πολλαπλών κλιμάκων με χρήση κλασσικών πεπερασμένων στοιχείων συνεχούς μέσου. Η ατομιστική διάταξη των μορίων του νανοσωλήνα άνθρακα μοντελοποιείται βάση της θεωρίας της δομικής μοριακής μηχανικής (ΔΜΜ), όπου οι πληροφορίες των ατομικών αλληλεπιδράσεων διατηρούνται από το προσομοίωμα. Στην συνέχεια το λεπτομερές προσομοίωμα του νανοσωλήνα αντικαθίσταται από μία ισοδύναμη τρισδιάστατη δοκό η οποία αποτελεί το βασικό στοιχείο για την κατασκευή νανοσωλήνων άνθρακα τυχαίας γεωμετρίας, με μήκος που προσεγγίζει την μικροκλίμακα. Για τις αναλύσεις που παρουσιάζονται επιλέγεται αντιπροσωπευτικό στοιχείου όγκου (ΑΣΟ) του νανοσύνθετου, το οποίο αποτελείται από έναν νανοσωλήνα άνθρακα ενσωματωμένο μέσα σε μήτρα ορθογωνικής διατομής από βισκοελαστικό πολυμερές υλικό. Η καταστατική συμπεριφορά των επιμέρους υλικών που αποτελούν το σύνθετο, προσομοιώνονται με γραμμικό ελαστικό, Hooke’s μοντέλο για τον ΝΣΑ και γραμμικό βισκοελαστικό Maxwell-Wiechert μοντέλο για το πολυμερές. Ο μηχανισμός μεταφοράς δυνάμεων διαμέσου της διεπιφάνειας νανοσωλήνα/πολυμερούς λαμβάνεται υπόψιν στις αναλύσεις με την ενσωμάτωση στον κώδικα ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων ενός μη γραμμικού μοντέλου ολίσθησης. Η διακριτοποίηση των ΑΣΟ του νανοσύνθετου περιλαμβάνει δύο ανεξάρτητα πλέγματα πεπερασμένων στοιχείων που καταλήγουν έτσι σε απλούστερο προσομοίωμα. Ένα πλέγμα από τρισδιάστατα 8-κομβικά στοιχεία συνεχούς μέσου χρησιμοποιείται για την διακριτοποίηση της ορθογωνικής μήτρας, ενώ ένα δεύτερο πλέγμα, αποτελούμενο από τρισδιάστατα στοιχεία δοκού συνδεδεμένα σε σειρά χρησιμοποιείται για την διακριτοποίηση των ΝΣΑ.Στην παρούσα μελέτη εξετάζονται τόσο ευθύγραμμοι όσο και κυματοειδής ΝΣΑ. Στην περίπτωση των κυματοειδής ΝΣΑ, τυχαίες γεωμετρίες αυτών παράγονται χρησιμοποιώντας την μέθοδο της φασματικής απεικόνισης. Το εξελισόμενο φάσμα ενέργειας που χρησιμοποιείται για την γέννηση τυχαίων γεωμετριών προκύπτει μετά από την στατιστική επεξεργασία πραγματικών φωτογραφιών του νανοσύνθετου υλικού που λήφθησαν από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Μέσες στοχαστικές ιδιότητες του υλικού προκύπτουν μετά από προσομοιώσεις Monte Carlo. Οι μηχανικές ιδιότητες και η απόσβεση του υλικού του νανοσύνθετου καθορίζονται βάση αναλύσεων ευαισθησίας, όπου οι μεταβλητές που εκτιμώνται είναι η εκατοστιαία κατα βάρος (% κ.β.) περιεκτικότητα ΝΣΑ στο ΑΣΟ του νανοσύνθετου καθώς και η ΔΔΑ του. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται καταδεικνύουν την σημαντική επίδραση της ΔΔΑ και της κυματοειδούς γεωμετρίας των ΝΣΑ στην απόσβεση που παρουσιάζει το νανοσύνθετο υλικό.

The effect of interfacial shear strength (ISS) on the mechanical and damping properties of carbon nanotube reinforced composites (CNT-RCs) is investigated in the present study using a multiscale simulation. The atomic lattice of CNTs is modeled with the molecular structural mechanics approach (MSM) and reduced to an equivalent beam element (EBE) which is used as the basic building block for the construction of full length CNTs embedded in the polymer. Linear material properties are assigned to the EBEs, while a Maxwell-Wiechert material model is used for modeling the viscoelastic behaviour of the polymer. The interfacial load transfer mechanism between the lateral surface of the carbon nanotube and the surrounding matrix is taken into account with a nonlinear bond-slip friction-type model. Straight as well as wavy CNTs are considered. In the case of wavy CNTs, random CNT geometries are generated using the spectral representation method with evolutionary power spectra (EPS) which are derived from processing scanning electron microscope (SEM) images.