مطالعه رفتار پركوليشن خواص مكانيكي نانوكامپوزيتهاي پليمري تقويت شده با نانوذرات با استفاده از مدلسازي ميكرومكانيكي سهبعدي

Study on the percolation behavior of the mechanical properties of nanoparticle reinforced polymer nanocomposites using three-dimensional micromechanical modeling

بهبود چشمگير خواص مكانيكي پليمرهاي تقويت شده با نانوذرات در درصد هاي حجمي نسبتاً كم، سبب شده است كه استفاده از نانوكامپوزيت‌هاي زمينه پليمري افزايش يابد. وجود ناحيه فاز مياني بين نانوذرات و زمينه پليمري دليل اصلي افزايش خواص مكانيكي نانوكامپوزيت ها است. در اين تحقيق، با استفاده از يك مدل ميكرومكانيكي بر مبناي سلول واحد، رفتار پركوليشن خواص مكانيكي نانوكامپوزيت‌هاي پليمري تقويت شده با نانوذرات مورد بررسي قرار مي گيرد. المان حجمي نماينده نانوكامپوزيت از سه فاز شامل نانوذرات، زمينه پليمري و فاز مياني تشكيل مي شود. هندسه المان حجمي نانوكامپوزيت به c×r×h نانوسلول در سه بعد تقسيم شده و حالت توزيع نانوذرات در زمينه بصورت اتفاقي است. اثرات ناحيه فاز مياني شامل ضخامت و مدول الاستيك و هندسه نانوذرات بر رفتار پركوليشن نانوكامپوزيت تشريح مي شود. نتايج مدل سازي نشان مي دهد كه با كاهش اندازه نانوذرات يا با افزايش نسبت منظر فاز تقويت، درصد حجمي بحراني نانوكامپوزيت كاهش مي يابد. نتايج پيش بيني شده با مدل ميكرومكانيكي حاضر در تطابق خوبي با نتايج مدل هاي ميكرومكانيكي ديگر مي باشند. نتايج گزارش شده در اين تحقيق مي تواند براي مدل سازي و طراحي بهينه نانوكامپوزيت هاي تقويت شده با نانوذرات با بالاترين صرفه اقتصادي مورد استفاده قرار بگيرد.

Significant improvements in mechanical properties of polymers reinforced with nanoparticles at relatively low volume fractions have caused the use of polymer nanocomposites to increase. The main reason for the increase in mechanical properties of nanocomposites is the presence of an interphase region between the nanoparticles and polymer matrix. In this work using a unit cell-based micromechanical model, the percolation behavior of the mechanical properties of nanoparticle reinforced polymer nanocomposites is investigated. The Representative Volume Element (RVE) of nanocomposites consists of three phases including nanoparticles, polymer matrix and interphase. The RVE is extended to c×r×h nano-cells in three dimensions and the state of dispersion of nanoparticles into matrix is random. Effects of interphase region including its thickness and elastic modulus and nanoparticle geometry on the percolation behavior of the nanocomposite are studied. Results show that with decreasing the nanoparticle size or increasing aspect ratio of nanoparticle, critical volume fractions decrease. The predicted results of the present micromechanical model are in good agreement when compared with results of the other micromechanical model. The results reported herein could be useful to guide the modeling and optimal design of nanocomposite reinforced by nanoparticles with the highest economic interest.