اثرات توزيع منظم و اتفاقي نانوذرات سيليكا بر خواص ترمو-الاستيك و ويسكوالاستيك نانوكامپوزيت هاي زمينه پليمري- مطالعه ميكرومكانيكي

Effects of regular and random distribution of silica nanoparticles on the thermo-elastic and viscoelastic properties of polymer nanocomposites- Micromechanics-based analysis

در اين پژوهش، يك مدل تحليلي ميكرومكانيكي سه بعدي به‌منظور بررسي اثرات توزيع اتفاقي و منظم نانوذرات سيليكا بر خواص ترمو-الاستيك و ويسكوالاستيك نانوكامپوزيت هاي زمينه پليمري ارايه مي شود. براي اين مدل ميكرومكانيكي يك المان حجمي نماينده نانوكامپوزيت از سه فاز شامل نانوذرات سيليكا، زمينه پليمري و فاز مياني، در نظر گرفته مي شود. چون خواص ماده زمينه پليمري در نزديكي نانوذرات سيليكا به‌دليل واكنش بين دو فاز تقويت و زمينه متفاوت از خواص كلي آن پليمر است، اين بخش به‌عنوان فاز مياني با ضخامت و خواص مشخص در مدل سازي ميكرومكانيكي در نظر گرفته مي شود. براي شبيه سازي توزيع اتفاقي نانوذرات سيليكا، هندسه المان حجمي نانوكامپوزيت به c×r×h نانوسلول مكعبي در سه بعد تقسيم مي‌شود. شرايط اتصال كامل بين اجزاي سازنده المان حجمي نانوكامپوزيت در نظر گرفته مي شود. به‌منظور بررسي خواص ترمو-الاستيك نانوكامپوزيت، فرض مي شود كه رفتار هر سه فاز المان حجمي نماينده به صورت همگن و ايزوتروپ باشد. نتايج خواص ترمو-الاستيك بدست آمده با مدل ميكرومكانيكي حاضر با توزيع اتفاقي نانوذرات سيليكا به داده هاي تجربي نزديكتر است. به‌منظور بررسي خواص ويسكوالاستيك نانوكامپوزيت، رفتار نانوذرات سيليكا به صورت الاستيك خطي و رفتار زمينه پليمري و فاز مياني به‌عنوان يك ماده ويسكوالاستيك خطي فرض مي شود. با استفاده از مدل ميكرومكانيكي ارايه شده، اثرات تغيير خواص ويسكوالاستيك مواد فاز مياني و اندازه نانوذرات بر پاسخ نانوكامپوزيت بررسي مي شود. همچنين، رفتار خزشي نانوكامپوزيت تحت سطوح مختلف تنش مورد مطالعه قرار مي گيرد.

In this study, a three-dimensional micromechanics-based analytical model is developed to study the effects of regular and random distribution of silica nanoparticles on the thermo-elastic and viscoelastic properties of polymer nanocomposites. The Representative Volume Element (RVE) of nanocomposites consists of three phases including silica nanoparticles, polyimide matrix and interphase. Since the polymer in the vicinity of the nanoparticles shows distinct properties from those of the bulk matrix, due to nanoparticle–polymer matrix interactions this region as interphase is considered in micromechanical modeling with specific thickness and properties. In order to simulate random distribution of silica nanoparticles into polyimide matrix, the RVE is extended to c×r×h cubic nano-cells in three dimensions. Perfect bonding conditions are applied between the constituents of RVE. It is assumed that all three phases of the RVE are homogeneous and isotropic to obtain the thermo-elastic response of nanocomposite. The extracted thermo-elastic properties by the micromechanical model with random distribution of silica nanoparticles are closer to the experimental data. To predict the effective viscoelastic properties of the nanocomposites, silica nanoparticles are modeled as a linear elastic material, while polyimide matrix and interphase are assumed to be as a linear viscoelastic material. The model is also used to examine the influence of varying interphase properties and silica nanoparticle size on the effective nanocomposite behavior. The overall creep behavior of the nanocomposite for several stress levels is also presented.