بررسي تأثير طول نانولوله و پديدۀ كلوخه شدن بر رفتار الاستوپلاستيك نانوكامپوزيت پليمري

Investigation of nanotubes’ length and their agglomeration effects on the elastoplastic behavior of polymer-based nanocomposites

در اين مقاله خواص الاستوپلاستيك يك نانوكامپوزيت پليمري با تكيه بر تعدادي از عوامل مقياس مزو مورد بررسي قرار گرفته است. براي اين منظور از تركيب روش اجزاي محدود با ميكرومكانيك استفاده شده است. با توجه به ماهيت پيوند ناكاملِ نانولوله و ماتريس، براي جايگزين كردن نانولوله و ناحيه­ ي مشترك با يك تك‌رشته­ ي توپر، از روش چندمقياسي اجزاي محدود استفاده شده است. سپس با استفاده از روش ميدان ميانگين موري- تاناكا، منحني‌هاي تنش-كرنش نانوكامپوزيت استخراج و با استفاده از آن، تأثير زاويه ­ي قرارگيري نانولوله بر مدول يانگ، تأثير طول نانولوله بر خواص الاستوپلاستيك و تأثير كلوخه شدن نانولوله‌ها بر رفتار الاستوپلاستيك بررسي شده است. همچنين با بررسي طول نانولوله‌ها مشخص شد كه نانولوله‌هاي داراي طول 10 تا 300 نانومتر، تأثير قابل توجهي بر سفتي نانوكامپوزيت دارد، درحالي‌كه تأثير طول‌هاي كوتاه‌تر و بلندتر چندان قابل توجه نيست. همچنين، با صرف نظر از كلوخه شدن، افزايش كسر حجمي نانولوله‌ها منجر به افزايش سفتي نانوكامپوزيت مي‌گردد. اين در حالي است كه كلوخه شدن نانولوله‌ها، منجر به كاهش سفتي نانوكامپوزيت مي‌شود. تأثير منفي اين پديده به‌حدي است كه در برخي موارد، افزايش كسر حجمي نه‌تنها باعث افزايش سفتي نانوكامپوزيت نمي‌شود، بلكه آن را كاهش مي‌دهد.

In this article, elastoplastic properties of polymeric nanocomposites embedded with carbon nanotubes (CNTs) are explored with emphasis on the meso-scale phenomena. To this end, a combination of finite element method and micromechanics is implemented. Accordingly, at first, considering the non-bonded nature of nanotube/polymer interactions, a multiscale finite element method is employed to replace the matrix, CNT, and polymer atoms neighboring it with a perfectly bonded equivalent nanofiller. Subsequently, nanocomposite stress-strain curves are extracted based on the mean field homogenization approach. Using this model, the effects of CNTs orientation and their agglomeration on the mechanical behavior of nanocomposite samples are thoroughly studied. Moreover, it is found that to have an efficient reinforcing effect, the CNT length should be greater than 10 nm. On the other hand, it can be concluded that there is an optimum value of this parameter (i.e. 300 nm) above which, there is no any extra stiffening effect. Furthermore, regarding the CNTs agglomeration, it is revealed that although, theoretical investigations show that increasing CNT volume fraction(VF) leads to an increase in the stiffness, occurring this phenomenon can have a deteriorative role in terms of influencing the mechanical behavior of these nanocomposites at higher VFs.