Структурное моделирование развития поврежденности в дисперсно наполненных эластомерных нанокомпозитах с учетом межфазных взаимодействий

Структурное моделирование развития поврежденности в дисперсно наполненных эластомерных нанокомпозитах с учетом межфазных взаимодействий

Автор: Соколов Александр Константинович, Гаришин Олег Константинович, Свистков Александр Львович

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 4 т.12, 2019 года.

Бесплатный доступ

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)...

Еще

Эластомер, дисперсный наполнитель, структурная поврежденность, критерии разрушения, межфазные микрослои, микротяжи, компьютерное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/143168910

IDR: 143168910   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2019.12.4.32

Список литературы Структурное моделирование развития поврежденности в дисперсно наполненных эластомерных нанокомпозитах с учетом межфазных взаимодействий

  • Mark J.E., Erman B., Roland M. The Science and Technology of Rubber (Fourth Edition). Elseiver, 2013. 816 p.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. P. 223-241.
  • 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. P. 173-196.
  • Ерофеев В.И., Павлов И.С. Структурное моделирование метаматериалов. Н.Новгород: ИПФ РАН, 2019. 196 с.
  • Mullins L. Effect of stretching in the properties of rubber // Rubber Chem. Tech. 1948. Vol. 21, No. 2. P. 281-300.
  • Mullins L. Engineering with rubber // Rubber Chem. Tech. 1986. Vol. 59, No. 3. P. 69-83.
  • Печковская К.А. Сажа как усилитель каучука. М.: Химия, 1968. 215 с.
  • Kraus G. Reinforcement of elastomers by carbon black // Rubber Chem. Tech. 1978. Vol. 51, No. 2. P. 297-321.
  • Fetterman M.Q. The unique properties of precipitated silica in the design of high performance rubber // Elastomerics. 1984. Vol. 116, No. 9. P. 18-31.
  • Шадрин В.В. Исследование прочности эластомерных волокон в зависимости от их диаметра // МКМК. 2003. Т. 9, № 2. С. 198-204.
  • Leonov A.I. The effect of surface tension on stretching of very thin highly elastic filaments // J. Rheol. 1990. Vol. 34. P. 155-167.
  • Гаришин О.К., Комар Л.А. Прогнозирование прочности эластомерных зернистых композитов в зависимости от размеров частиц наполнителя // МКМК. 2003. Т. 9, № 3. C. 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. P. 5011-5017.
  • Watabe H., Komura M., Nakajima K., Nishi T. Atomic Force Microscopy of Mechanical Property of Natural Rubber // Jpn. J. Appl. Phys. 2005. Vol. 44. P. 5393-5396.
  • 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. P. 1260-1269.
  • 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. P. 749-758.
  • Morozov I.A. Structural-Mechanical AFM Study of Surface Defects in Natural Rubber Vulcanizates // Macromolecules. Vol. 49, No. 16. P. 5985-5992.
  • 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. Р. 6003-6011.
  • Toki S., Sics I., Hsiao B.S., Murakami S., Tosaka М., Poompradub S., Kohjiya S., Ikeda Y. Structural developments in synthetic rubbers during uniaxial deformation by in situ synchrotron Хray diffraction // J. Polymer Sci. B Polymer Phys. 2004. Vol. 42. Р. 956-964.
  • Rault J., Marchal J., Judeinstein Р., Albouy Р.А. Chain orientation in natural rubber, Рart II: 2НNMR study // Eur. Phys. J. E. 2006. Vol. 21. Р. 243-261.
  • Свистков А.Л. Континуально-молекулярная модель формирования областей ориентированного полимера в эластомерном нанокомпозите // Изв. РАН. МТТ. 2010. № 4. С. 82-96.
  • Hamed G.R., Hatfeld S. Оn the role of bound rubber in carbon-black reinforcement // Rubber Chem. Tech. 1989. Vol. 62, No. 1. Р.143-156.
  • Wolff S., Wang М.-Ј., Таn Е.Н. Filler-elastomer interactions. Рart VII. Study оn bound rubber // Rubber Chem. Tech. 1993. Vol. 66, No. 2. Р. 163-177.
  • Meissner В. Bound rubber and elastomer-flller interaction // Rubber Chem. Tech. 1995. Vol. 68, No. 2. P. 297-310.
  • Choi S.-S. Difference in bound rubber formation of silica and carbon black with styrene-butadiene rubber // Polymer Adv. Tech. 2002. Vol. 13. Р. 466-474.
  • Choi S.-S. Effect of bound rubber оn characteristics of highly fllled styrene-butadiene rubber compounds with different types of carbon black // J. Appl. Polymer Sci. 2004. Vol. 93. Р. 1001-1006.
  • Choi S.-S., Hwang К.-Ј., Kim В.-Т. Influence of bound polymer оn cure characteristics of natural rubber compounds reinforced with different types of carbon blacks // J. Appl. Polymer Sci. 2005. Vol. 98. Р. 2282-2289.
  • Leblanc J.L. А molecular explanation for the origin of bound rubber in carbon black fllled rubber compounds // J. Appl. Polymer Sci. 1997. Vol. 66. Р. 2257-2268.
  • Leblanc J.L. Elastomer-flller interactions and the rheology of filled rubber compounds // Ј. Appl. Polymer Sci. 2000. Vol. 78. Р. 1541-1550.
  • Fukahori Y. The mechanics and mechanism of the carbon black reinforcement of elastomers // Rubber Chem. Tech. 2003. Vol. 76, No. 2. Р. 548-565.
  • Litvinov Y.М., Steeman Р.А.М. EPDM - carbon black interactions and the reinforcement mechanisms, as studied by low-resolution l H NMR // Macromolecules. 1999. Vol. 32. Р. 8476-8490.
  • Berriot J., Lequeux Е, Monnerie L., Montes Н., Long D., Sotta Р. Filler-elastomer interaction in model fllled rubbers, а 1 H NMR study // Јournal of Non-Crystalline Solids. 2002. Vol. 307-310. Р. 719-724.
  • Leu G., Liu Y., Werstler D.D., Cory D.G. NMR Characterization of elastomer-carbon black interactions // Macromolecules. 2004. Vol. 37. Р. 6883-6891.
  • Згаевский В.Э., Яновский Ю.Г. Зависимость вязкоупругих свойств композитов с высокоэластической матрицей и жесткими частицами наполнителя от молекулярных и структурных параметров межфазного слоя // МКМК. 1998. Т. 4, № 3. С. 124-135.
  • Власов А.Н., Згаевский В.Э., Карнет Ю.Н., Теплухина Е.И., Яновский Ю.Г. Упругие свойства полимерного композита с учётом молекулярных и структурных параметров межфазного слоя // МКМК. 2000. Т. 6, № 1. С. 141-150.
  • Яновский Ю.Г., Згаевский В.Э. Иерархическое моделирование механического поведения и свойств гетерогенных сред // Физ. мезомех. 2001. Т. 4, № 3. С. 63-71
  • Stuart S.J., Tutein А.В., Harrison Ј.А. А reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // Ј. Chem. Phys. 2000. Vol. 112. Р. 6472-6486.
  • Гамлицкий Ю.А., Швачич М.В. Прочность резины. Модель и расчет // Высокомолекулярные соединения. Серия С. 2005. Т. 47, № 4. С. 660-668.
  • Cantournet S., Desmorat R., Besson Ј. Mullins effect and cyclic stress softening of filled elastomers by internal sliding and friction thermodynamics model // Int. J. Solid. Struct. 2009. Vol. 46. Р. 2255-2264.
  • Sokolov A.K., Garishin O.K., Svistkov A.L. A new hypothesis on the mechanism of nanofilled elastomers reinforcement // Mech. Adv. Mater. Mod. Process. 2018. Vol. 4. 7.
  • Гаришин О.К. Механические свойства и разрушение дисперсно наполненных эластомеров. Структурное моделирование. Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing (LAP), 2012. 292 с.
  • Kondyurin A.V., Eliseeva A.Yu., Svistkov A.L. Bound ("glassy") rubber as a free radical cross-linked rubber layer on a carbon black // Materials. 2018. Vol. 11, no. 10. 20 p.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp