Главная » 2014 » Июнь » 19 » Скачать Влияние структуры эластомерного нанокомпозита на его механические свойства. Морозов, Илья Александрович бесплатно
1:30 AM
Скачать Влияние структуры эластомерного нанокомпозита на его механические свойства. Морозов, Илья Александрович бесплатно
Влияние структуры эластомерного нанокомпозита на его механические свойства
Диссертация
Автор: Морозов, Илья Александрович
Название: Влияние структуры эластомерного нанокомпозита на его механические свойства
Справка: Морозов, Илья Александрович. Влияние структуры эластомерного нанокомпозита на его механические свойства : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.02.04 / Морозов Илья Александрович; [Место защиты: Ин-т механики сплошных сред УрО РАН] - Пермь, 2008 - Количество страниц: 131 с. ил. Пермь, 2008 131 c. :
Объем: 131 стр.
Информация: Пермь, 2008
Содержание:
1 ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
11 Структура эластомерного нанокомпозита
12 Свойства эластомерных нанокомпозитов
13 Модели агрегации
14 Структурные и феноменологические модели поведения наполненных эластомеров
15 Исследование наполненных эластомеров при помощи атомно-силовой микроскопии
ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СЕТКИ
НАНОНАПОЛНИТЕЛЯ
21 Алгоритмы создания агрегата и их объединения в жесткий каркас
22 Классификация определяемых параметров
23 Анализ полученного материала
24 Выводы по данному разделу
ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЭВОЛЮЦИИ СЕТКИ НАПОЛНИТЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ОДНООСНОГО РАСТЯЖЕНИЯ
31 Конструирование и исследование начального состояния материала
32 Анализ структуры материала в процессе удлинения
33 Выводы
ГЛАВА 4 СТРУКТУРНО-ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ РЕЗИНЫ
41 Вводные замечания
42 Реализация структурно-феноменологической модели
43 Оценка радиуса волокна полимера в момент разрыва
44 Выводы
ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОЕВ ПОЛИИЗОПРЕНА НА КАРБОНИЗИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ АСМ
51 Изготовление образцов и проведение эксперимента
52 Расшифровка взаимодействия зонда и образца
53 Анализ прямого хода зонда
54 Анализ обратного хода зонда
56 Выводы
Введение:
Актуальность работы. Макроскопические механические свойства эла-стомерных нанокомпозитов и, в частности, резин изучены достаточно хорошо (чего, впрочем, нельзя сказать об однозначном объяснении наблюдаемых эффектов) еще в 50-х- 70-х годах прошлого века [1-10]. Исследования наполнителей также сущесвенно продвинулись: изучены их размеры, пористость, фрактальная геометрия, топология и энергия поверхности частиц и т.п. [1114]. Однако до сих пор не совсем понятны взаимодействия полимера и поверхности наполнителя на структурном наноуровне. Связано это с тем, что сетка наполнителя в эластомере представляет собой сложную переплетенную трехмерную структуру, детально исследовать которую средствами современного экспериментального оборудования пока невозможно. Исследования [1517] показывают наличие в наполненном эластомере слоя полимера вблизи поверхности наполнителя, который считается застеклованным. Однако определить его свойства и вклад в механическое поведение резины до сих пор однозначно не удалось [18]. Поэтому разработка алгоритмов компьютерного моделирования, позволяющих визуализировать и исследовать структурные свойства фрактальной сетки агрегатов наполнителя различных марок и объемного содержания в резине, а также применение результатов для описания механического поведения наполненного эластомера, представляется актуальным исследованием.
Предложенная и реализованная собственная методика экспериментального исследования нанослоев полимера на карбонизированной поверхности при помощи атомно-силового микроскопа (АСМ) также чрезвычайно актуальна, так как позволяет моделировать влияние наполнителя на свойства эластомера вблизи поверхности частиц и исследовать его свойства.
Научная новизна работы обусловлена тем, что впервые была разработана и реализована модель структуры сетки нанонаполнителя в эластомерном материале. Анализ модели структуры материала выявил зависимость координационного числа (среднее число контактов), количества захваченного и связанного полимера от структуры фрактальных агрегатов различных марок и степени наполнения. На основе модели установлено, что толщина слоя связанного полимера составляет 7-9 нм. Полимер в данном состоянии является одним из основных компонент материала. Согласно одной из гипотез, в процессе деформации из этого слоя формируются ориентированные волокна, оказывающие серьезное влияние на механические свойства материала.
Исследование модели изменения структуры материала при растяжении позволило установить зависимость между удлинением на уровне структуры материала и его макроскопическим удлинением. Созданная на этой основе структурно-феноменологическая модель показала свою работоспособность, что дает все основания полагать гипотезу о формировании ориентированных волокон в эластомерном нанокомпозите верной.
На защиту выносятся следующие положепия диссертации:
1. Моделирование и исследование структуры жесткого каркаса сетки наполнителя эластомерного композита.
1.1. Алгоритмы построения фрактальных агрегатов и объединения их в жесткий каркас сетки наполнителя.
1.2. Интерпретация полученных в результате моделирования структурных свойств наполненного эластомера (координационное число, количество связанного и захваченного каучука) и их сопоставление с прямыми и косвенными экспериментальными измерениями различных авторов.
2. Структурная модель растяжения эластомерного композита для приближенной оценки изменения взаимного расположения агрегатов частиц наполнителя при деформировании материала и вероятной кратности удлинения возникающих при деформировании высокопрочных волокон.
2.1. Модель растяжения эластомерного нанокомпозита, построенная на основе предположения о ведущей роли геометрических ограничений при изменении взаимного расположения агрегатов частиц наполнителя в условиях больших деформаций.
2.2. Анализ результатов, полученных на основе предложенной модели при пятикратном растяжении наполненного эластомера (определение координационного числа, размера областей материала, не содержащих наполнителя, кратности изменения расстояния между первоначально соседними сферами или кратности растяжения высокопрочных волокон, коэффициента перемешивания).
2.3. Оценка радиуса волокна, стянутого в зазор между частицами при пяти кратном удлинении.
3. Анализ возможности использования гипотезы о существенной роли слоев около частиц наполнителя и формирования высокопрочных волокон между агрегатами частиц при деформировании эластомерного нанокомпозита для объяснения особенностей его механического поведения.
3.1. Моделирование одноосного циклического растяжения резины при помощи феноменологической модели. Вероятный физический смысл слагаемых в феноменологической модели (возможное объяснение с точки зрения представлений о структуре жесткого каркаса, слоях и формировании высокопрочных волокон).
3.2. Приближенная оценка размера сечения полимерного волокна в момент разрыва материала.
4. Экспериментальное моделирование и исследование при помощи АСМ на-нопленок полиизопрена на углеродной поверхности.
4.1. Методика изготовления образцов и проведения эксперимента.
4.2. Анализ прямого (приближение и вдавливание) и обратного хода сенсора.
Личный вклад автора. Автором разработаны основные алгоритмы данной работы, получены и проанализированы все результаты. Изготовление образцов в экспериментальной части и проведение АСМ-измерений происходило при непосредственном активном участии автора.
Практическая значимость полученных результатов обусловлена сложностью экспериментального анализа наполненных эластомеров на структурном наноуровне. Полученные алгоритмы и разработанные модели могут применяться как отдельно для анализа структурно-механических свойств широкого класса марок наполнителя и связующего, так и в качестве составной части сложной структурной и/или феноменологической модели эластомерного композита. Для автоматизации создания и анализа каркаса сетки наполнителя автором была разработана и зарегистрирована компьютерная программа Ag-lomerator (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006613442).
Структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключительных выводов.