Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hiệu ứng cộng hưởng của các hợp chất carbon nanotube/graphene nanoplatelet đối với tính chất đàn hồi và viscoelastic của nanocomposite polymer: mô hình vi cơ học dựa trên phần tử hữu hạn
Acta Mechanica - Trang 1-23 - 2023
Tóm tắt
Một quy trình vi cơ học được thực hiện bởi phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã được phát triển nhằm mục đích khảo sát các hiệu ứng cộng hưởng của hỗn hợp carbon nanotubes (CNTs) và graphene nanoplatelets (GNPs) lên các tính chất đàn hồi và viscoelastic của nanocomposite polymer. Phương pháp yếu tố thể tích đại diện (RVE) được áp dụng nhờ khả năng xem xét các nano-phụ gia khác nhau với kích thước khác nhau và đánh giá các khía cạnh ở cấp vi cấu trúc. Phương pháp tối thiểu ứng suất không đổi và mô hình viscoelastic tuyến tính được sử dụng để dự đoán các thành phần độ cứng đàn hồi và tensor độ tuân thủ chảy. Tính hợp lệ của mô hình đề xuất được đánh giá thông qua việc so sánh với mô hình vi cơ học Halpin–Tsai đã được thiết lập và các phép đo thực nghiệm có sẵn, cung cấp sự đồng thuận chấp nhận được. Các ảnh hưởng từ hướng (phân tán ngẫu nhiên hoặc đồng hướng), hàm lượng thể tích, và sự thay đổi trong chiều dài và độ dày của các nano-phụ gia carbon lên mô đun Young, tỷ lệ Poisson, và độ tuân thủ chảy của CNT/GNP/nanocomposite epoxy đã được điều tra. Các kết quả thể hiện rõ rằng những đóng góp của CNT và GNP đối với việc gia cường cơ học và khả năng chống chảy trong polymer liên quan chặt chẽ đến sự phân bố và hàm lượng thể tích của chúng trong ma trận chứa. Hơn nữa, các kết quả cũng chỉ ra rằng việc tăng chiều dài của CNT và giảm độ dày của GNP dẫn đến việc tăng mô đun Young, và giảm độ tuân thủ chảy (hoặc tăng khả năng chống chảy) của nanocomposite CNT/GNP/epoxy.
Từ khóa
#carbon nanotubes #graphene nanoplatelets #polymer nanocomposites #finite element method #micromechanics #mechanical properties #creep resistanceTài liệu tham khảo
Ansari, R., Hassanzadeh-Aghdam, M.K., Mahmoodi, M.J.: Three-dimensional micromechanical analysis of the CNT waviness influence on the mechanical properties of polymer nanocomposites. Acta Mech. 227(12), 3475–3495 (2016)
Xia, X., Weng, G.J., Zhang, J., Li, Y.: The effect of temperature and graphene concentration on the electrical conductivity and dielectric permittivity of graphene–polymer nanocomposites. Acta Mech. 231, 1305–1320 (2020)
Njuguna, J., Pielichowski, K., Fan, J.: Polymer nanocomposites for aerospace applications. Adv. Polym. Nanocompos. (2012). https://doi.org/10.1533/9780857096241.3.472
Aghadavoudi, F., Golestanian, H., Zarasvand, K.A.: Elastic behaviour of hybrid cross-linked epoxy-based nanocomposite reinforced with GNP and CNT: experimental and multiscale modelling. Polym. Bull. 76, 4275–4294 (2019)
Hu, K., Kulkarni, D.D., Choi, I., Tsukruk, V.V.: Graphene-polymer nanocomposites for structural and functional applications. Prog. Polym. Sci. 39(11), 1934–1972 (2014)
Park, S., Ruoff, R.S.: Chemical methods for the production of graphenes. Nat. Nanotechnol. 4(4), 217–224 (2009)
Hu, Y.G., Li, Y.F., Han, J., Hu, C.P., Chen, Z.H., Gu, S.: Prediction of interface stiffness of single-walled carbon nanotube-reinforced polymer composites by shear-lag model. Acta Mech. 230, 2771–2782 (2019)
Kundalwal, S.I., Ray, M.C.: Shear lag analysis of a novel short fuzzy fiber-reinforced composite. Acta Mech. 225, 2621–2643 (2014)
Kundalwal, S.I., Meguid, S.A.: Micromechanics modelling of the effective thermoelastic response of nano-tailored composites. Eur. J. Mech. A. Solids 53, 241–253 (2015)
Huang, C., Qian, X., Yang, R.: Thermal conductivity of polymers and polymer nanocomposites. Mater. Sci. Eng. R. Rep. 132, 1–22 (2018)
Liu, W., Liu, Z., Guo, Z., Xie, W., Tang, A., Huang, G.: A computational model for characterizing electrical properties of flexible polymer composite filled with CNT/GNP nanoparticles. Mater. Today Commun. 32, 104177 (2022)
Ngabonziza, Y., Li, J., Barry, C.F.: Electrical conductivity and mechanical properties of multiwalled carbon nanotube-reinforced polypropylene nanocomposites. Acta Mech. 220, 289–298 (2011)
Moradi, A., Ansari, R., Hassanzadeh-Aghdam, M.K., Jamali, J.: Finite element modeling of the effective creep compliance of carbon nanotube-polymer nanocomposites: A critical microstructure-level investigation. Mech. Adv. Mater. Struct. (2023). https://doi.org/10.1080/15376494.2023.2225052
Iijima, S.: Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354(6348), 56–58 (1991)
Ruoff, R.S., Qian, D., Liu, W.K.: Mechanical properties of carbon nanotubes: theoretical predictions and experimental measurements. C. R. Phys. 4(9), 993–1008 (2003)
Yu, M.F., Lourie, O., Dyer, M.J., Moloni, K., Kelly, T.F., Ruoff, R.S.: Strength and breaking mechanism of multiwalled carbon nanotubes under tensile load. Science 287(5453), 637–640 (2000)
Ansari, R., Gholami, R., Rouhi, H.: Vibration analysis of single-walled carbon nanotubes using different gradient elasticity theories. Compos. B Eng. 43(8), 2985–2989 (2012)
Hassanzadeh-Aghdam, M.K.: Evaluating the effective creep properties of graphene-reinforced polymer nanocomposites by a homogenization approach. Compos. Sci. Technol. 209, 108791 (2021)
Ramanathan, T., Abdala, A.A., Stankovich, S., Dikin, D.A., Herrera-Alonso, M., Piner, R.D., Adamson, D.H., Schniepp, H.C., Chen, X.R.R.S., Ruoff, R.S., Nguyen, S.T.: Functionalized graphene sheets for polymer nanocomposites. Nat. Nanotechnol. 3(6), 327–331 (2008)
Gao, C., Zhan, B., Chen, L., Li, X.: A micromechanical model of graphene-reinforced metal matrix nanocomposites with consideration of graphene orientations. Compos. Sci. Technol. 152, 120–128 (2017)
Gojny, F.H., Wichmann, M.H., Fiedler, B., Schulte, K.: Influence of different carbon nanotubes on the mechanical properties of epoxy matrix composites–a comparative study. Compos. Sci. Technol. 65(15–16), 2300–2313 (2005)
Ahmadi-Moghadam, B., Sharafimasooleh, M., Shadlou, S., Taheri, F.: Effect of functionalization of graphene nanoplatelets on the mechanical response of graphene/epoxy composites. Mater. Des. 1980–2015(66), 142–149 (2015)
Rafiee, M.A., Rafiee, J., Wang, Z., Song, H., Yu, Z.Z., Koratkar, N.: Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano 3(12), 3884–3890 (2009)
Hassanzadeh-Aghdam, M.K., Ansari, R., Darvizeh, A.: Micromechanical analysis of carbon nanotube-coated fiber-reinforced hybrid composites. Int. J. Eng. Sci. 130, 215–229 (2018)
Topkaya, T., Çelik, Y.H., Kilickap, E.: Mechanical properties of fiber/graphene epoxy hybrid composites. J. Mech. Sci. Technol. 34, 4589–4595 (2020)
Li, D., Müller, M.B., Gilje, S., Kaner, R.B., Wallace, G.G.: Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets. Nat. Nanotechnol. 3(2), 101–105 (2008)
Zhou, T., Zha, J.W., Hou, Y., Wang, D., Zhao, J., Dang, Z.M.: Surface-functionalized MWNTs with emeraldine base: preparation and improving dielectric properties of polymer nanocomposites. ACS Appl. Mater. Interfaces 3(12), 4557–4560 (2011)
Rafiee, R., Eskandariyun, A.: Predicting Young’s modulus of agglomerated graphene/polymer using multi-scale modeling. Compos. Struct. 245, 112324 (2020)
Maghsoudlou, M.A., Isfahani, R.B., Saber-Samandari, S., Sadighi, M.: Effect of interphase, curvature and agglomeration of SWCNTs on mechanical properties of polymer-based nanocomposites: experimental and numerical investigations. Compos. B Eng. 175, 107119 (2019)
Rafiee, R., Eskandariyun, A.: Estimating Young’s modulus of graphene/polymer composites using stochastic multi-scale modeling. Compos. B Eng. 173, 106842 (2019)
Jia, Y., Jiang, Z., Peng, J., Gong, X., Zhang, Z.: Resistance to time-dependent deformation of polystyrene/carbon nanotube composites under cyclic tension. Compos. A Appl. Sci. Manuf. 43(9), 1561–1568 (2012)
Jia, Y., Peng, K., Gong, X.L., Zhang, Z.: Creep and recovery of polypropylene/carbon nanotube composites. Int. J. Plast. 27(8), 1239–1251 (2011)
Guedes, R.M. (ed.): Creep and Fatigue in Polymer Matrix Composites. Woodhead Publishing, Sawston (2019)
Yang, J., Zhang, Z., Friedrich, K., Schlarb, A.K.: Creep resistant polymer nanocomposites reinforced with multiwalled carbon nanotubes. Macromol. Rapid Commun. 28(8), 955–961 (2007)
Varela-Rizo, H., Weisenberger, M., Bortz, D.R., Martin-Gullon, I.: Fracture toughness and creep performance of PMMA composites containing micro and nanosized carbon filaments. Compos. Sci. Technol. 70(7), 1189–1195 (2010)
Khabazaghdam, A., Behjat, B., Yazdani, M., Da Silva, L.F., Marques, E.A.S., Shang, X.: Creep behaviour of a graphene-reinforced epoxy adhesively bonded joint: experimental and numerical investigation. J. Adhes. 97(13), 1189–1210 (2021)
Tang, L.C., Wang, X., Gong, L.X., Peng, K., Zhao, L., Chen, Q., Wu, L.B., Jiang, J.X., Lai, G.Q.: Creep and recovery of polystyrene composites filled with graphene additives. Compos. Sci. Technol. 91, 63–70 (2014)
Shokrieh, Z., Shokrieh, M.M., Zhao, Z.: A modified micromechanical model to predict the creep modulus of polymeric nanocomposites. Polym. Test. 65, 414–419 (2018)
Hassanzadeh-Aghdam, M.K., Mahmoodi, M.J., Ansari, R.: Creep performance of CNT polymer nanocomposites—an emphasis on viscoelastic interphase and CNT agglomeration. Compos. B Eng. 168, 274–281 (2019)
Xia, X., Guo, X., Weng, G.J.: Creep rupture in carbon nanotube-based viscoplastic nanocomposites. Int. J. Plast. 150, 103189 (2022)
Al-Saleh, M.H.: Electrical and mechanical properties of graphene/carbon nanotube hybrid nanocomposites. Synth. Met. 209, 41–46 (2015)
Li, W., Dichiara, A., Bai, J.: Carbon nanotube–graphene nanoplatelet hybrids as high-performance multifunctional reinforcements in epoxy composites. Compos. Sci. Technol. 74, 221–227 (2013)
Pontefisso, A., Mishnaevsky, L., Jr.: Nanomorphology of graphene and CNT reinforced polymer and its effect on damage: micromechanical numerical study. Compos. B Eng. 96, 338–349 (2016)
Safdari, M., Al-Haik, M.S.: Synergistic electrical and thermal transport properties of hybrid polymeric nanocomposites based on carbon nanotubes and graphite nanoplatelets. Carbon 64, 111–121 (2013)
Jen, Y.M., Huang, J.C., Zheng, K.Y.: Synergistic effect of multi-walled carbon nanotubes and graphene nanoplatelets on the monotonic and fatigue properties of uncracked and cracked epoxy composites. Polymers 12(9), 1895 (2020)
Sokołowski, D., Kamiński, M.: Homogenization of carbon/polymer composites with anisotropic distribution of particles and stochastic interface defects. Acta Mech. 229, 3727–3765 (2018)
Doagou-Rad, S., Jensen, J.S., Islam, A., Mishnaevsky, L., Jr.: Multiscale molecular dynamics-FE modeling of polymeric nanocomposites reinforced with carbon nanotubes and graphene. Compos. Struct. 217, 27–36 (2019)
Christensen, R.: Theory of Viscoelasticity: an Introduction. Elsevier, London (2012)
Naik, A., Abolfathi, N., Karami, G., Ziejewski, M.: Micromechanical viscoelastic characterization of fibrous composites. J. Compos. Mater. 42(12), 1179–1204 (2008)
Brinson, H.F., Brinson, L.C.: Polymer Engineering Science and Viscoelasticity. An Introduction, pp. 99–157. Springer, New York (2008)
Martone, A., Faiella, G., Antonucci, V., Giordano, M., Zarrelli, M.: The effect of the aspect ratio of carbon nanotubes on their effective reinforcement modulus in an epoxy matrix. Compos. Sci. Technol. 71(8), 1117–1123 (2011)
Navidfar, A., Trabzon, L.: Graphene type dependence of carbon nanotubes/graphene nanoplatelets polyurethane hybrid nanocomposites: micromechanical modeling and mechanical properties. Compos. B Eng. 176, 107337 (2019)
Suquet, P.: Elements of homogenization for inelastic solid mechanics. Homog. Tech. Compos. Media. 278, 193–278 (1987)
Press, W.H., Flannery, B.P., Teukolsky, S.A., Vetterling, W.T.: Numerical Recipes. Cambridge University Press, Cambridge (1989)
Schapery, R.A.: Viscoelastic behavior and analysis of composite materials. Mech. Compos. Mater. (1974)
Fisher, F.T., Bradshaw, R.D., Brinson, L.C.: Fiber waviness in nanotube-reinforced polymer composites—I: modulus predictions using effective nanotube properties. Compos. Sci. Technol. 63(11), 1689–1703 (2003)
Mählich, D., Eberhardt, O., Wallmersperger, T.: Numerical simulation of the mechanical behavior of a carbon nanotube bundle. Acta Mech. 232, 483–494 (2021)
Shokrieh, Z., Shokrieh, M.M.: A new model to simulate the creep behavior of graphene/epoxy nanocomposites. Polym. Test. 75, 321–326 (2019)
Kundalwal, S.I.: Review on micromechanics of nano-and micro-fiber reinforced composites. Polym. Compos. 39(12), 4243–4274 (2018)
Tsai, J.L., Tzeng, S.H., Chiu, Y.T.: Characterizing elastic properties of carbon nanotubes/polyimide nanocomposites using multi-scale simulation. Compos. B Eng. 41(1), 106–115 (2010)
Kundalwal, S.I., Ray, M.C.: Effective properties of a novel continuous fuzzy-fiber reinforced composite using the method of cells and the finite element method. Eur. J. Mech. A. Solids 36, 191–203 (2012)