بررسي اثر نانوذرات سيليكون كربيد بر خواص مكانيكي و گرمايي رزين اپوكسي آرالدايت با روش ديناميك مولكولي

Molecular Dynamics Study on the Effect of Silicon Carbide Nanoparticles on Mechanical and Thermal Properties of an Araldite Epoxy Resin

فرضيه: رزين‌هاي اپوكسي، پليمرهاي گرماسخت با كاربردهاي صنعتي گسترده هستند. ويژگي‌هاي برجسته اين رزين‌ها در حوزه‌هاي مختلف توجه زيادي را جلب كرده است. ويژگي‌هايي از قبيل نسبت استحكام و سفتي به وزن زياد، به برتري پليمرهاي تقويت‌شده نسبت به نمونه‌هاي تقويت‌نشده، منجر شده است. استفاده از نانوذرات به‌عنوان تقويت‌كننده در پليمر موجب بهبود خواصي از قبيل چقرمگي، مقاومت در برابر پيري، استحكام و شكست كامپوزيت‌ها مي‌شود. روش‌ها: در اين پژوهش، اثر افزودن نانوذرات سراميكي سيليكون كربيد بر خواص مكانيكي و گرمايي سامانه رزين اپوكسي آرالدايت LY 5052 و آرادور HY 5052 با استفاده از روش ديناميك مولكولي مطالعه شد. مراحل مختلف شبيه‌سازي از مرحله كمينه‌كردن، متعادل‌سازي، پخت و محاسبات خواص مكانيكي به‌‌‌كمك هنگرد دما و فشار ثابت و هنگرد دما و حجم ثابت بر اساس ميدان نيروي COMPASS II انجام شد. يافته‌ها: نتايج شبيه‌سازي خواص مكانيكي سامانه رزين اپوكسي در دماي 300 كلوين افزون بر تطابق نسبتاً خوب با مراجع تجربي و نظري، بر دقت بيشتر ميدان نيروي استفاده‌شده در اين پژوهش (COMPASS II) نسبت به كار پيشين (COMPASS) دلالت دارد. همچنين نتايج حاكي از اين است، اضافه‌كردن تقويت‌كننده سيليكون كربيد به سامانه رزين اپوكسي، افزون بر افزايش نسبي چگالي، در بهبود خواص مكانيكي از جمله استحكام و سختي و نيز خواص گرمايي سامانه مؤثر است. خواص مكانيكي بهينه سامانه نيز مربوط به درصد‌هاي كم نانوذرات سيليكون كربيد است. در نمونه‌هايي با درصد وزني بيشتر، با افزايش درصد وزني، پديده كلوخگي تشديد شد. در نتيجه، درصد تخلخل افزايش يافت و موجب كاهش خواص مكانيكي و گرمايي سامانه شد. همچنين، بررسي نقش اندازه ذرات بر خواص مكانيكي و گرمايي سامانه نشان داد، با افزايش اندازه ذرات خواص مكانيكي و گرمايي سامانه كاهش مي‌يابد. نانوذرات سيليكون كربيد با سه شكل هندسي متفاوت نيز به سامانه رزين اپوكسي افزوده شد. نتايج نشان داد، خواص مكانيكي سامانه اپوكسي داراي تقويت‌كننده كروي، به‌دليل داشتن نسبت سطح به حجم (0.6cm-1 ) زيادتر نسبت به حالت استوانه‌اي (0.5cm-1) و صفحه‌اي (0.26cm-1) بيشتر است.

Hypothesis: Epoxy resins are thermoset polymers with extensive industrial applications. Their superior properties have attracted great attention in different fields. Having the potential to provide enhanced strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios, reinforced polymers are superior to unreinforced ones. Using nanoparticles as reinforcement in a polymer can improve toughness, aging resistance, strength and fracture of the composites. Methods: Molecular dynamics method was used to study the effects of silicon carbide (SiC) nanoparticles on the mechanical and thermal properties of the Araldite LY 5052/Aradur HY 5052 epoxy resin. Different simulation phases, including the minimization, equilibration, curing, and calculation of mechanical properties were carried out by NPT and NVT ensembles, based on the COMPASS II force field. Findings: The simulation results indicated that the mechanical properties of the epoxy resin system at 300 K were not only in good agreement with other experimental and theoretical properties, but also they produced greater accuracy than the previous work by COMPASS force field. The results also indicated that the addition of SiC reinforcement to the epoxy resin system improved the mechanical properties such as strength and hardness as well as the thermal properties of the system while its density increased slightly. They showed that the optimum mechanical properties were related to low concentration of SiC nanoparticles. In epoxy resin with a higher nanoparticles percentage, by increasing the weight percentage, an agglomeration phenomenon occurred, porosity increased, and consequently the mechanical and thermal properties decreased. The effect of particle size on the mechanical and thermal properties of the epoxy resin system also showed that by increasing the particle size, the mechanical and thermal properties of the system were reduced. SiC nanoparticles with 3 different nanoparticle geometries were added to the epoxy resin system. The results showed that, due to a higher surface-to-volume ratio (0.6 1/cm), the epoxy resin system with the spherical reinforcement presented higher mechanical properties than the cylindrical (0.5 1/cm) and planar (0.26 1/cm) reinforcements.