تحليل ميكرو مكانيكي اثرات افزودن نانو ذرات سيليكا بر رفتار الاستو پلاستيك نانو كامپوزيت هاي زمينه پليمري با در نظر گرفتن فاز مياني

Micromechanical analysis of the effects of adding silica nanoparticles on the elastoplastic behavior of polymeric nanocomposites considering interphase

در اين پژوهش، يك مدل ساختاري الاستوپلاستيك به منظور بررسي اثرات افزودن نانوذرات سيليكا بر منحني هاي تنش-كرنش الاستيك-پلاستيك كامپوزيت هاي زمينه پليمري ارايه مي شود. مدول الاستيك نانوكامپوزيت با تركيب مدل هاي ميكرومكانيكي موري-تاناكا و اشلبي با در نظر گرفتن ناحيه ي فازمياني ناشي از واكنش بين نانوذرات سيليكا و زمينه پليمري ارزيابي مي شود. سپس، منحني هاي تنش-كرنش الاستيك-پلاستيك نانوكامپوزيت با بكارگيري يك روش همگن سازي ميانگين گيري شده روي حجم هاي گروهي پايه ميكرومكانيكي استخراج مي شود. جهت اثبات درستي مدل توسعه داده شده، پيش بيني ها با داده هاي آزمايشگاهي موجود مقايسه مي شوند. اثرات درصد حجمي و قطر نانوذرات سيليكا، ضخامت و نماي چسبندگي ناحيه فازمياني بر منحني هاي تنش-كرنش الاستيك-پلاستيك كامپوزيت هاي زمينه پليمري به طور گسترده اي مورد بررسي قرار مي گيرد. با در نظر گرفتن اثرات فازمياني رفتار الاستوپلاستيك سخت تر مشاهده مي شود. نتايج مدل سازي ميكرومكانيكي به وضوح نشان مي دهد كه استحكام نانوكامپوزيت زمينه پليمري تقويت شده با نانوذرات سيليكا يا (1) افزايش درصد حجمي نانوذرات، (2) كاهش قطر نانوذرات، (3) افزايش ضخامت فازمياني و (4) كاهش نماي چسبندگي فازمياني بهبود مي يابد. در نهايت، منحني هاي تنش-كرنش الاستيك-پلاستيك كامپوزيت هاي زمينه پليمري تقويت شده با نانوذرات سيليكا تحت بارگذاري دو محوري به دست خواهد آمد.

In this work, an elastoplastic constitutive model is planned to analyze the effects of adding silica nanoparticles on the overall elastic-plastic stress-strain curves of the polymer matrix nanocomposites. The elastic modulus of the nanocomposites is evaluated by combination of the Mori-Tanaka and Eshelby micromechanical models considering interphase region formed due to the interaction between silica nanoparticles and the polymer matrix. Then, the elastic-plastic stress-strain curves of nanocomposites are extracted by employing a micromechanics-based ensemble-volume averaged homogenization procedure. To prove the validity of the developed method, the predictions are compared to the experimental data existing in the literature. The effects of volume fraction and diameter of silica nanoparticles, thickness and adhesion exponent of the interphase on the polymeric nanocomposite elastic-plastic stress-strain curves are extensively examined. Stiffer elastoplastic behavior is found in the presence of interphase region. The results clearly indicate that the strengthening of the silica nanoparticle-reinforced polymer nanocomposites is improved with (1) increasing nanoparticle volume fraction, (2), decreasing the nanoparticle diameter, (3) increasing the interphase thickness and (4) decreasing the interphase adhesion exponent. Finally, the elastic-plastic stress-strain curves of silica nanoparticle/polymer nanocomposites under biaxial loading are achieved.