مدل‌سازي عددي و بررسي تجربي رفتار كشسان – پلاستيك نانوكامپوزيت‌هاي PA6/NBR تقويت شده با نانولوله‌هاي ‌كربني به كمك ميكرومدل اجزاي محدود

Numerical Modeling and Experimental Study of Elastic-Plastic Behavior of Carbon Nanotubes Reinforced Nanocompsites of PA6/NBR/Using a Microfinite Element Model

در اين پژوهش، رفتار مكانيكي نانوكامپوزيت‌هاي ساخته شده برپايه لاستيك گرمانرم پلي‌آميد 6 و كايوچوي آكريلونيتريل بوتادي‌ان (PA6/NBR) تقويت شده با نانولوله‌هاي كربني تك‌ديواره به‌طور نظري و تجربي بررسي شد. دو تركيب 40 و %60 كايوچو همراه با سه تركيب 5/0، 1 و %5/1 نانولوله براي ساخت نمونه‌ها انتخاب شدند. مدل‌سازي برپايه به‌كارگيري روش اجزاي‌ حجمي نماينده دوبعدي انجام شد. محاسبات به روش اجزاي محدود غيرخطي در محيط نرم‌افزار Abaqus/Standard انجام شد. از مدل‌هاي مكانيكي كشسان خطي و كشسان - پلاستيك با سخت‌شدگي همسان به ترتيب براي بيان رفتار مكانيكي نانولوله كربني و ماتريس پليمري استفاده شد. نمونه‌هاي واقعي نيز به‌طور هم‌زمان به روش اختلاط مذاب درون مخلوط‌كن داخلي ساخته شدند. داده‌هاي مربوط به اين مدل‌ها از آزمون‌هاي تجربي مربوط معين شدند. مدل‌سازي به شكل دوبعدي تنش صفحه‌اي در دو حالت كششي و فشاري همراه با آرايش‌هاي مختلف براي نانولوله انجام شد. افزون بر اين، دو حالت توپر و توخالي براي ذرات نانولوله درنظر گرفته شد. مقايسه بين مدول‌هاي كشساني و نيز رفتار كشسان - پلاستيك پيش‌بيني شده به كمك مدل با نتايج تجربي به‌دست‌آمده از آزمون‌هاي كششي و فشاري روي نمونه‌هاي ساخته شده، حاكي از دقت زياد و صحت مدل‌سازي است. در اين پژوهش مشخص شد، آرايش ذرات نانولوله اتفاقي بوده و رفتار كشسان - پلاستيك نانوكامپوزيت نيز به شكل سخت‌شونده همسان است. همچنين نشان داده شد، اثر فصل مشترك بين ذرات نانولوله و ماتريس همراه با آرايش ذرات در بعد سوم منبع اصلي خطا در مدل است.

A theoretical and experimental study was conducted on the mechanical behavior of nanocomposites based on PA6/NBR thermoplastic elastomer reinforced by single wall carbon nanotubes (SWNTs). The selected samples include 60 and 40% NBR with 0.5, 1.0 and 1.5% SWNT. The modeling methodology was based on the use of two-dimensional "representative volume elements" (RVE). The Abaqus/Standard code was employed to carry out the non-linear finite element calculations. Plane stress elements were selected for discretization of the domain. Linear elastic and isotropic hardening elastic-plastic models were utilized to describe the mechanical behaviors of the carbon nanotubes and polymer matrix, respectively. The samples were simultaneously prepared using melt mixing method in a laboratory internal mixer. Different orientations including regular in both longitudinal and transverse directions and random were selected for the nanotubes in the matrix. Also, two structural forms including hollow and solid for the carbon nanotubes were chosen. The highest and lowest predicted moduli were obtained from models with regular orientation in longitudinal and transverse directions, respectively. On the other hand, comparison between the predicted elastic modulus and elastic-plastic behaviors of the samples with their corresponding experimental data revealed that the random orientation in conjunction with hollow structural form gives the best results. Moreover, the selected material model for the thermoplastic elastomer i.e., isotropic hardening can precisely describe the mechanical behavior in both tension and compression modes. It is also concluded that the main source of error in this modeling methodology can be attributed to the effects of interface between polymer and nanotubes and orientation in perpendicular directions.