Структурное моделирование развития поврежденности в дисперсно наполненных эластомерных нанокомпозитах с учетом межфазных взаимодействий
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.4.32Ключевые слова:
эластомер, дисперсный наполнитель, структурная поврежденность, критерии разрушения, межфазные микрослои, микротяжи, компьютерное моделированиеАннотация
Проведено компьютерное моделирование процесса развития внутренней поврежденности в эластомерных нанокомпозитах с высокой неоднородностью фаз (жесткий дисперсный наполнитель и мягкая эластомерная матрица). Частицы наполнителя имели такую концентрацию, что их взаимное влияние существенно сказывалось на прочностных свойствах материала. Дисперсные включения считались абсолютно жесткими и прочными. Повреждаться могла только конечно деформируемая несжимаемая матрица, механические свойства которой описывались с помощью неогукового упругого потенциала. В модели принимались во внимание такие особенности композитной структуры, как высокая концентрация напряжений в зазорах между близко расположенными включениями, наличие на поверхности частиц наполнителя эластомерных слоев с повышенной жесткостью, различные условия межфазного контакта (полная адгезия или проскальзывание на границе «матрица-включение»), возможность анизотропного упрочнения при одноосной вытяжке (за счет переориентации молекулярных цепей в направлении действия нагрузки). Учет анизотропного упрочнения позволил теоретически исследовать механизм формирования высокопрочных микротяжей в промежутках между соседними частицами. Возникновение таких образований в наполненных эластомерах наблюдалось в многочисленных экспериментах, и сегодня - это доказанный факт. Для его объяснения был разработан новый - анизотропный - критерий разрушения, так как на основе общепринятых прочностных критериев моделировать данное явление в принципе невозможно. Проведенные авторами расчеты с использованием нового критерия показали, что локальные разрывы матрицы имеют место не в промежутке между частицами (в местах наибольшей концентрации напряжений), а на некотором удалении. Вокруг промежутка между частицами генерируется «пустотелое кольцо», то есть тяж, а взаимосвязь между включениями не нарушается, и материал на макроуровне сохраняет свою несущую способность. Таким образом, наличие тяжей может служить одним из объяснений упрочнения эластомера при вводе в него жесткого дисперсного наполнителя.
Скачивания
Библиографические ссылки
Mark J.E., Erman B., Roland M. The Science and Technology of Rubber (Fourth Edition). Elseiver, 2013. 816 p. https://doi.org/10.1016/C2011-0-05820-9">https://doi.org/10.1016/C2011-0-05820-9
Jovanović V., Smaržija-Jovanović S., Budinski-Simendić J., Marković G. Marinović-Cincović M. Composites based on carbon black reinforced NBR/EPDM rubber blends // Compos. B Eng. 2013. Vol. 45. P. 333-340. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.05.020">https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.05.020
Salaeh S, Nakason C. Influence of modified natural rubber and structure of carbon black on properties of natural rubber compounds // Polymer Compos. 2012. Vol. 33. P. 489-500. https://doi.org/10.1002/pc.22169">https://doi.org/10.1002/pc.22169
Shakun A., Vuorinen J., Hoikanen M., Poikelispää M., Das A. Hard nanodiamonds in soft rubbers: Past, present and future – A review // Compos. Part A. Appl. S. 2014. Vol. 64. P. 49-69. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2014.04.014">https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2014.04.014
Le H.H., Pham T., Henning S., Klehm J., Wießner S., S. Stöckelhuber S., Das A., Hoang X.T., Do Q.K., Wu M., Vennemann N., Heinrich G., Radusch H.-J. Formation and stability of carbon nanotube network in natural rubber: Effect of non-rubber components // Polymer. 2015. Vol. 73. P. 111-121. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.07.044">https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.07.044
Lu Y., Liu J., Hou G., Ma J., Wang W., Wei F., Zhang L. From nano to giant? Designing carbon nanotubes for rubber reinforcement and their applications for high performance tires // Compos. Sci. Tech. 2016. Vol. 137. P. 94-101. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2016.10.020">https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2016.10.020
Mokhireva K.A., Svistkov A.L., Solod'ko V.N., Komar L.A., Stöckelhuber K.W. Experimental analysis of the effect of carbon nanoparticles with different geometry on the appearance of anisotropy of mechanical properties in elastomeric composites // Polymer Testing. 2017. Vol. 59. P. 46-54. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.01.007">https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.01.007
Liu H., Bai H., Bai D., Liu Z., Zhang Q., Fu Q. Design of high-performance poly(L-lactide)/elastomer blends through anchoring carbon nanotubes at the interface with the aid of stereo-complex crystallization // Polymer. 2017. Vol. 108. P. 38‑49. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2016.11.034">https://doi.org/10.1016/j.polymer.2016.11.034
Garishin O.K. Structural mechanical model of a grain composite with a damageable rubbery matrix // Polymer Science. Ser. A. 2002. Vol. 44, No. 4. P. 417-423.
Garishin О.K., Moshev V.V. Damage model of elastic rubber particulate composites // Theor. Appl. Fract. Mech. 2002. Vol. 38. P. 63-69. https://doi.org/10.1016/S0167-8442(02)00081-2">https://doi.org/10.1016/S0167-8442(02)00081-2
Гаришин О.К., Moшев В.В. Структурная перестройка дисперсно наполненных эластомерных композитов и ее влияние на их механические свойства // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2005. Т. 47, № 4. С. 669-675.
Reese S. A micromechanically motivated material model for the thermo-viscoelastic material behaviour of rubber-like polymers // Int. J. Plast. 2003. Vol. 19. P. 909-940. https://doi.org/10.1016/S0749-6419(02)00086-4">https://doi.org/10.1016/S0749-6419(02)00086-4
Österlöf R., Wentzel H., Kari L. An efficient method for obtaining the hyperelastic properties of filled elastomers in finite strain applications // Polymer Testing. 2015. Vol. 41. P. 44-54. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2014.10.008">https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2014.10.008
Ivaneiko I., Toshchevikov V., Saphiannikova M., Stöckelhuber K.W., Petry F., Westermann S., Heinrich G. Modeling of dynamic-mechanical behavior of reinforced elastomers using a multiscale approach // Polymer. 2016. Vol. 82. P. 356-365.
###
Mark J.E., Erman B., Roland M. The Science and Technology of Rubber (Fourth Edition). Elseiver, 2013. 816 p. https://doi.org/10.1016/C2011-0-05820-9">https://doi.org/10.1016/C2011-0-05820-9
Jovanović V., Smaržija-Jovanović S., Budinski-Simendić J., Marković G. Marinović-Cincović M. Composites based on carbon black reinforced NBR/EPDM rubber blends. Compos. B Eng., 2013, vol. 45, pp. 333-340. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.05.020">https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.05.020
Salaeh S, Nakason C. Influence of modified natural rubber and structure of carbon black on properties of natural rubber compounds. Polymer Compos., 2012, vol. 33, pp. 489-500. https://doi.org/10.1002/pc.22169">https://doi.org/10.1002/pc.22169
Shakun A., Vuorinen J., Hoikanen M., Poikelispää M., Das A. Hard nanodiamonds in soft rubbers: Past, present and future – A review. Compos. Part A. Appl. S., 2014, vol. 64, pp. 49-69. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2014.04.014">https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2014.04.014
Le H.H., Pham T., Henning S., Klehm J., Wießner S., S. Stöckelhuber S., Das A., Hoang X.T., Do Q.K., Wu M., Vennemann N., Heinrich G., Radusch H.-J. Formation and stability of carbon nanotube network in natural rubber: Effect of non-rubber components. Polymer, 2015, vol. 73, pp. 111-121. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.07.044">https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.07.044
Lu Y., Liu J., Hou G., Ma J., Wang W., Wei F., Zhang L. From nano to giant? Designing carbon nanotubes for rubber reinforcement and their applications for high performance tires. Compos. Sci. Tech., 2016, vol. 137, pp. 94-101. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2016.10.020">https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2016.10.020
Mokhireva K.A., Svistkov A.L., Solod'ko V.N., Komar L.A., Stöckelhuber K.W. Experimental analysis of the effect of carbon nanoparticles with different geometry on the appearance of anisotropy of mechanical properties in elastomeric composites. Polymer Testing, 2017, vol. 59, pp. 46-54. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.01.007">https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.01.007
Liu H., Bai H., Bai D., Liu Z., Zhang Q., Fu Q. Design of high-performance poly(L-lactide)/elastomer blends through anchoring carbon nanotubes at the interface with the aid of stereo-complex crystallization. Polymer, 2017, vol. 108, pp. 38‑49. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2016.11.034">https://doi.org/10.1016/j.polymer.2016.11.034
Garishin O.K. Structural mechanical model of a grain composite with a damageable rubbery matrix. Polymer Science. Ser. A, 2002, vol. 44, no. 4, pp. 417-423.
Garishin О.K., Moshev V.V. Damage model of elastic rubber particulate composites. Theor. Appl. Fract. Mech., 2002, vol. 38, pp. 63-69. https://doi.org/10.1016/S0167-8442(02)00081-2">https://doi.org/10.1016/S0167-8442(02)00081-2
Garishin O.K., Moshev V.V. Structural rearrangement in dispersion-filled composites: Influence on mechanical properties. Polymer Science. Ser. A, 2005, vol. 47, no. 4, pp. 403-408.
Reese S. A micromechanically motivated material model for the thermo-viscoelastic material behaviour of rubber-like polymers. Int. J. Plast., 2003, vol. 19, pp. 909-940. https://doi.org/10.1016/S0749-6419(02)00086-4">https://doi.org/10.1016/S0749-6419(02)00086-4
Österlöf R., Wentzel H., Kari L. An efficient method for obtaining the hyperelastic properties of filled elastomers in finite strain applications. Polymer Testing, 2015, vol. 41, pp. 44-54. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2014.10.008">https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2014.10.008
Ivaneiko I., Toshchevikov V., Saphiannikova M., Stöckelhuber K.W., Petry F., Westermann S., Heinrich G. Modeling of dynamic-mechanical behavior of reinforced elastomers using a multiscale approach. Polymer, 2016, vol. 82, pp. 356-365. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.11.039">https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.11.039
Raghunath R., Juhre D., Klüppel M. A physically motivated model for filled elastomers including strain rate and amplitude dependency in finite viscoelasticity. Int. J. Plast., 2016, vol. 78, pp. 223-241. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2015.11.005">https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2015.11.005
Plagge J., Klüppel M. A physically based model of stress softening and hysteresis of filled rubber including rate- and temperature dependency. Int. J. Plast., 2017, vol. 89, pp. 173-196. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2016.11.010">https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2016.11.010
Erofeyev V.I., Pavlov I.S. Strukturnoye modelirovaniye metamaterialov [Structural modeling of metamaterials]. N.Novgorod: IPF RAN, 2019. 196 p.
Mullins L. Effect of stretching in the properties of rubber. Rubber Chem. Tech., 1948, vol. 21, no. 2, pp. 281-300. https://doi.org/10.5254/1.3546914">https://doi.org/10.5254/1.3546914
Mullins L. Engineering with rubber. Rubber Chem. Tech., 1986, vol. 59, no. 3, pp. 69-83. https://doi.org/10.5254/1.3538214">https://doi.org/10.5254/1.3538214
Pechkovskaya K.A. Sazha kak usilitel’ kauchuka [Carbon black as a rubber amplifier]. M.: Khimiya, 1968. 215 p.
Kraus G. Reinforcement of elastomers by carbon black. Rubber Chem. Tech., 1978, vol. 51, no. 2, pp. 297-321. https://doi.org/10.5254/1.3545836">https://doi.org/10.5254/1.3545836
Fetterman M.Q. The unique properties of precipitated silica in the design of high performance rubber. Elastomerics, 1984, vol. 116, no. 9, pp. 18-31.
Shadrin V.V. Issledovaniye prochnosti elastomernykh volokon v zavisimosti ot ikh diametra [Investigation of strength of elastomeric fibers, depending on their diameter]. MKMK – Mechanics of composite materials and structures, 2003, vol. 9, no. 2, pp. 198-204.
Leonov A.I. The effect of surface tension on stretching of very thin highly elastic filaments. J. Rheol., 1990, vol. 34, pp. 155-167. https://doi.org/10.1122/1.550117">https://doi.org/10.1122/1.550117
Garishin O.K., Komar L.A. Prognozirovaniye prochnosti elastomernykh zernistykh kompozitov v zavisimosti ot razmerov chastits napolnitelya [Prediction strength elastomeric granular composite according to the particle size of the filler]. MKMK – Mechanics of composite materials and structures, 2003, vol. 9, no. 3, pp. 278-286.
Le Cam J.-B., Huneau B., Verron E., Gornet L. Mechanism of fatigue crack growth in carbon black filled natural rubber. Macromolecules, 2004, vol. 37, pp. 5011-5017. https://doi.org/10.1021/ma0495386">https://doi.org/10.1021/ma0495386
Watabe H., Komura M., Nakajima K., Nishi T. Atomic Force Microscopy of Mechanical Property of Natural Rubber. Jpn. J. Appl. Phys., 2005, vol. 44, pp. 5393-5396. https://doi.org/10.1143%2Fjjap.44.5393">https://doi.org/10.1143%2Fjjap.44.5393
Beurrot S., Huneau B., Verron E. In Situ SEM Study of fatigue crack growth mechanism in carbon black-filled natural rubber. J. Appl. Polymer Sci., 2010, vol. 117, pp. 1260-1269. https://doi.org/10.1002/app.31707">https://doi.org/10.1002/app.31707
Dohi H., Kimura H., Kotani M., Kaneko T., Kitaoka T., Nishi T., Jinnai H. Three-dimensional imaging in polymer science: Its application to block copolymer morphologies and rubber composites. Polymer J., 2007, vol. 39, pp. 749-758. https://doi.org/10.1295/polymj.PJ2006259">https://doi.org/10.1295/polymj.PJ2006259
Morozov I.A. Structural-Mechanical AFM Study of Surface Defects in Natural Rubber Vulcanizates. Macromolecules, vol. 49, no. 16, pp. 5985-5992. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b01309">https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b01309
Toki S., Sics I., Ran S., Liu L., Hsiao B.S. Molecular orientation and structural development in vulcanized polyisoprene rubbers during uniaxial deformation by in situ synchrotron X-ray diffraction. Polymer, 2003, vol. 44, pp. 6003-6011. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(03)00548-2">https://doi.org/10.1016/S0032-3861(03)00548-2
