مدل سازي ميكرو مكانيكي سه‌بعدي ظرفيت ميرايي نانو كامپوزيت‌هاي پليمري تقويت شده با نانو الياف

Three dimensional micromechanical modeling of damping capacity of nano fiber reinforced polymer nanocomposites

در اين پژوهش يك روش تحليلي سه بعدي براي پيش‌بيني خواص ديناميكي نانوكامپوزيت‌هاي پليمري ارائه مي‌شود. در اين روش با اعمال اصل همخواني الاستيك-ويسكوالاستيك بر تئوري ميكرومكانيكي سلول واحد ساده‌شده و با استفاده از روش انرژي و تعادل نيرو، مدول ذخيره، مدول اتلاف، فاكتور اتلاف و حلقه‌ي هيسترزيس نانوكامپوزيت‌هاي پليمري استخراج مي‌شود. نانوكامپوزيت در نظر گرفته‌شده داراي زمينه پلي‌پروپيلن تقويت‌شده با نانو الياف كربن رشد يافته در فاز بخار مي‌باشد. المان حجمي نماينده داراي سه فاز ايزوتروپ شامل الياف، فاز مياني و زمينه با رفتار ويسكوالاستيك خطي بر اساس مدل زنر است. همچنين با ارائه‌ي روش تبديل فوريه و مدل شيپري خواص ديناميكي اجزاء نانوكامپوزيت در حوزه‌ي فركانس استخراج مي‌گردد. ابتدا نتايج بدست آمده از مدل حاضر با نتايج تجربي، جهت اعتبارسنجي مقايسه مي‌گردد. سپس اثر پارامترهايي نظير تعداد زيرسلول‌ها، كسر حجمي و نسبت منظر الياف، فاكتور قدرت پيوند بين الياف و زمينه و فاكتور اتلاف فاز مياني بر خواص ديناميكي نانوكامپوزيت بررسي مي‌شود. نتايج بدست آمده، نشان مي‌دهند كه روش ارائه شده از سرعت و دقت قابل قبولي برخوردار است. همچنين افزايش نسبت منظر و كسر حجمي الياف باعث كوچك‌تر شدن حلقه‌ي هيسترزيس نانوكامپوزيت مي‌شود، لذا ظرفيت ميرايي آن كاهش مي‌يابد. فاز مياني نيز تأثير قابل توجهي بر خواص ديناميكي نانوكامپوزيت دارد، لذا مدل‌سازي آن اهميت بالايي دارد.

In this research, a three dimensional analytical method is presented for predicting the dynamic properties of polymer nanocomposites. In the present method elastic-viscoelastic correspondence principle is applied on the simplified method of cell, and loss modulus, storage modulus, loss factor and Hysteresis loop are obtained using energy method as well as force balance method. The considered nanocomposite possesses Polypropylene as a matrix reinforced by vapor grown carbon fibers. The representative volume element consists of three isotropic phases including fiber, interphase and matrix with linear viscoelastic behavior based on Zener model. Furthermore, the nanocomposite constituents dynamic properties are extracted in frequency domain by employing Fourier transform method and Schapery model. First, to ensure validation of the model, the results are compared with experimental results. Parametric studies such as the effects of number of subcells, fibers volume fraction (FVF) and aspect ratio, matrix/fiber link strength factor and interphase loss factor on the nanocomposite dynamic properties are investigated.. Obtained results reveal that the presented method has acceptable speed and accuracy. Moreover, fiber aspect ratio and FVF increasing leads to decreasing the nanocomposite hysteresis loop area, subsequently its damping capacity reduces. Interphase also contains considerable effects on the nanocomposite dynamic properties, so its modeling is of great importance.