Описание эффекта размягчения эластомерных композитов, наблюдаемого в экспериментах с возрастающей амплитудой деформирования

Автор: Кислицын В.Д., Свистков А.Л., Мохирева К.А., Шадрин В.В.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 2, 2023 года.

Бесплатный доступ

Представлены результаты сложных одноосных механических испытаний с образцами полимерных нанокомпозитов, связующим которых является полиуретан на основе форполимера СКУ-ППЛ-2102. Данный эластомер является структурно-неоднородным материалом: в нем имеются твердые доменные структуры, благодаря которым материал можно рассматривать как нанокомпозит со сложным механическим поведением. Испытания были проведены с образцами полиуретана без наполнителя и полиуретана, наполненного малослойным графеном в количестве 0,5 массовых частей (м.ч. на 100 м.ч. матрицы). Были осуществлены эксперименты с возрастающими циклами деформирования и продолжительными временными остановками перед сменой направления движения захватов. Такие испытания позволяют отслеживать степень размягчения материала в ходе нагружения и рост диссипативных потерь при разных кратностях удлинений. Согласно полученным данным было установлено, что даже при низком содержании наполнителя механические свойства материала существенно изменяются. Также отметим, что при повторных деформированиях образцов материалов вязкоупругие свойства проявляются несущественно (т.е. «тренированные» материалы с определенной степенью точности можно считать упругими). Для описания упругих свойств материала с учетом эффекта размягчения Маллинза использовался потенциал, в основу которого положено представление об эффективном поведении нагруженных полимерных цепей. Для описания вязкоупругого поведения рассмотренного нанокомпозита была использована ранее описанная термодинамическая модель. Эффект размягчения Маллинза учитывался как в упругом, так и в диссипативном слагаемых тензора напряжений Коши. И, согласно полученным данным, учет данного эффекта в модели оказывает большее влияние на диссипативное слагаемое тензора напряжений.

Еще

Вязкоупругость, конечные деформации, графен, полиуретан, эффект размягчения маллинза, возрастающая амплитуда деформирования

Короткий адрес: https://sciup.org/146282661

IDR: 146282661   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.2.12

Список литературы Описание эффекта размягчения эластомерных композитов, наблюдаемого в экспериментах с возрастающей амплитудой деформирования

  • Mullins L. Effect of stretching on the properties of rubber // Rubber Chemistry and Technology. - 1948. - Vol. 21, no. 1. - P. 281-300. DOI: 10.5254/1.3546914
  • Diani J., Fayolle B., Gilormini P. A review on the Mullins effect // European Polymer Journal. - 2009. - Vol. 45, no. 3. -P. 601-612. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2008.11.017
  • Efficient modeling of filled rubber assuming stress-induced microscopic restructurization / J. Plagge, A. Ricker, N.H. Kroger, P. Wrig-gers, M. Kluppel // International Journal of Engineering Science. -2020. - Vol. 151. - P. 103291. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2020.103291
  • Simo, J.C. On a fully three-dimensional finite-strain viscoelastic damage model: Formulation and computational aspects // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. - 1987. -Vol. 60, no. 2. - P. 153-173. DOI: 10.1016/0045-7825(87)90107-1
  • Miehe C. Discontinuous and continuous damage evolution in Ogden-type large-strain elastic materials // European journal of mechanics. A. Solids. - 1995. - Vol. 14, no. 5. - P. 697-720.
  • Miehe C., Keck J. Superimposed finite elastic-viscoelastic-plastoelastic stress response with damage in filled rubbery polymers. Experiments, modelling and algorithmic implementation // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2000. - Vol. 48, no. 2. -P. 323-365. DOI: 10.1016/S0022-5096(99)00017-4
  • On the relevance of Continuum Damage Mechanics as applied to the Mullins effect in elastomers / G. Chagnon, E. Verron, L. Gornet, G. Marckmann, P. Charrier // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2004. - Vol. 52, no. 7. - P. 1627-1650. DOI: 10.1016/j.jmps.2003.12.006
  • Ogden R.W., Roxburgh D.G. A pseudo-elastic model for the Mullins effect in filled rubber // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. -1999. - Vol. 455, no. 1988. - P. 2861-2877. DOI: 10.1098/rspa.1999.0431
  • Dorfmann A., Ogden R.W. A pseudo-elastic model for loading, partial unloading and reloading of particle reinforced rubber // International Journal of Solids and Structures. - 2003. - Vol. 40, no. 11. - P. 2699-2714. DOI: 10.1016/S0020-7683(03)00089-1
  • Wrubleskiand E.G.M., Marczak R.J. A study on the inclusion of softening behavior in hyperelastic incompressible constitutive models // Constitutive Models for Rubbers IX. - 2015. -P. 81-85.
  • Modeling the Mullins effect in elastomers swollen by palm biodiesel / A. Andriyana, M.S. Loo, G. Chagnon, E. Verron, S.Y. Ch'ng // International Journal of Engineering Science. -2015. - Vol. 95, no. 1. - P. 1-22. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2015.06.005
  • Fazekas B., Goda T.J. Constitutive modelling of rubbers: Mullins effect, residual strain, time-temperature dependence // International Journal of Mechanical Sciences. - 2021. - Vol. 210, no. 1. - P. 1-17. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106735
  • Investigation on Mullins effect of rubber materials by spherical indentation method / M. Zhang, W. Xu, T. Wu, X. Zhang, H. Zhang, Z. Li, C. Zhang, H. Jiang, M. Chen // Forces in Mechanics. - 2021. - Vol. 4, no. 1. - P. 1-7. DOI: 10.1016/j.finmec.2021.100037
  • A physically-based damage model for soft elastomeric materials with anisotropic / Z.Y.X. Danming, Y. Tenghao, Y. Honghui, Q. Shaoxing, Y. Wei // International Journal of Solids and Structures. - 2019. - Vol. 176-177, no. 1. - P. 121-134. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2019.05.018
  • Устинов К.Б. О наведенной анизотропии механических свойств эластомеров // Известия Российской Академии Наук. Механика твердого тела. - 2019. - № 5. - С. 27-36. DOI: 10.1134/S0572329919050167
  • Cantournet S., Desmorat R., Besson J. Mullins effect and cyclic stress softening of filled elastomers by internal sliding and friction thermodynamics model // International Journal of Solids and Structures - 2019. - Vol. 46, no. 11-12. - P. 2255-2264. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2008.12.025
  • Stress softening experiments in silica-filled polydimethylsiloxane provide insight into a mechanism for the Mullins effect / D. Hanson, M. Hawley, R. Houlton, K. Chitanvis, P. Rae, E.B. Orler, D. Wrobleski // Polymer. - 2005. - Vol. 46, no. 24. - P. 10989-10995. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.09.039
  • Diani J., Brieu M., Vacherand J.M. A damage directional constitutive model for Mullins effect with permanent set and induced anisotropy // European Journal of Mechanics. A/Solids. - 2006. - Vol. 25, no. 3. - P. 483-496. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2005.09.011
  • Pebdani M.H. Study Mullins effect of polyurethane reinforcement with halloysite nanotube by molecular dynamics simulation // Journal of Elastomers and Plastics. - 2022. - Vol. 54, no. 5. - P. 659-675. DOI: 10.1177/00952443211060407
  • Control of Mullins stress softening in silicone elastomer composites by rational design of fumed silica fillers / V. Allen, L. Chen, M. Englert, A. Moussaoui, W. Pisula // Composites Science and Technology. - 2021. - Vol. 214, no. 1. - P. 1-9. DOI: 10.1016/j.compscitech.2021.108955
  • Qian D., Meng F. Modelling Mullins effect induced by chain delamination and reattachment // Polymer. - 2021. -Vol. 222, no. 1. - P. 1-8. DOI: 10.1016/j.polymer.2021.123608
  • Mechanical properties and Mullins effect in natural rubber reinforced by grafted carbon black / F. Wen, W. Li, H. Jianning, L. Cuiwen, P. Wenlong, X. Haotuo, L. Shenglin // Advances in Polymer Technology. - 2019. - Vol. 2019, no. 1. -P. 1-12. DOI: 10.1155/2019/4523696
  • Machado G., Chagnon G., Favier D. Theory and identification of a constitutive model of induced anisotropy by the Mullins effect // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2014. -Vol. 63, no. 1. - P. 29-39. DOI: 10.1016/j.jmps.2013.10.008
  • Determination of the inelastic behavior of viscoelastic materials using the new thermodynamic model / V.D. Kislitsyn, A.L. Svistkov, K.A. Mokhireva, V.V. Shadrin // AIP Conference Proceedings. - 2023. - Vol. 2627, - P. 030002. DOI: 10.1063/5.0119254
  • Verron E., Gros A. An equal force theory for network models of soft materials with arbitrary molecular weight distribution // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2017. -Vol. 106, no. 1. - P. 176-190. DOI: 10.1016/j.jmps.2017.05.018
  • Vozniakovskii A.A., Vozniakovskii A.P., Kidalov S.V., Osipov V.Yu. Structure and Paramagnetic Properties of Graphene Nanoplatelets Prepared from Biopolymers Using Self-Propagating High-Temperature Synthesis // Journal of Structural Chemistry. - 2020. -Vol. 61, no. 1. - P. 869-878. DOI: 10.1134/S0022476620050200
  • Vozniakovskii A.A., Vozniakovskii A.P., Kidalov S.V. New Way of Synthesis of Few-Layer Graphene Nanosheets by the Self Propagating High-Temperature Synthesis Method from Biopolymers // Nanomaterials. - 2022. - Vol. 12, no. 4. -P. 657-671. DOI: 10.3390/nano12040657
  • Vozniakovskii A.A., Vozniakovskii A.P., Kidalov S.V. Phenomenological model of synthesis of fewlayer graphene (FLG) by the selfpropagating high-temperature synthesis (SHS) method from biopolymers // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostruc-tures. - 2022. - Vol. 30, no. 1. - P. 59-65. DOI: 10.1080/1536383X.2021.1993831
Еще
Статья научная