مدل سازی عددی و بررسی تجربی رفتار کشسان – پلاستیک نانوکامپوزیت‌هایPA6/NBR تقویت شده با نانولوله‌های کربنی به کمک میکرومدل اجزای محدود

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، گروه فرایند و مهندسی لاستیک، صندوق پستی 112-14975

چکیده

در این پژوهش، رفتار مکانیکی نانوکامپوزیت‌های ساخته شده برپایه لاستیک گرمانرم پلی ­آمید 6 وکائوچوی آکریلونیتریل بوتادی­ ان (PA6/NBR) تقویت شده با نانولوله‌های کربنی تک­دیواره به ­طور نظری و تجربی بررسی شد. دو ترکیب 60 و %40 کائوچو همراه با سه ترکیب 0.5، 1 و %1.5 نانولوله برای ساخت نمونه‌ها انتخاب شدند. مدل­ سازی برپایه به‌کارگیری روش اجزای‌ حجمی نماینده دوبعدی انجام شد. محاسبات به روش اجزای محدود غیرخطی در محیط نرم­ افزار Abaqus/Standard انجام شد. از مدل‌های مکانیکی کشسان خطی و کشسان-پلاستیک با سخت‌شدگی همسان به ترتیب برای بیان رفتار مکانیکی نانولوله کربنی و ماتریس پلیمری استفاده شد. نمونه­ های واقعی نیز به­ طور هم ­زمان به روش اختلاط مذاب درون مخلوط‌کن داخلی ساخته شدند. داده‌های مربوط به این مدل‌ها از آزمون‌های تجربی مربوط معین شدند. مدل­ سازی به شکل دوبعدی تنش صفحه‌ای در دو حالت کششی و فشاری همراه با آرایش‌های مختلف برای نانولوله انجام شد. افزون بر این، دو حالت توپر و توخالی برای ذرات نانولوله درنظر گرفته شد. مقایسه بین مدول‌های کشسانی و نیز رفتار کشسان-پلاستیک پیش‌بینی شده به کمک مدل با نتایج تجربی به ­دست‌ آمده از آزمون‌های کششی و فشاری روی نمونه‌های ساخته شده حاکی از دقت زیاد و صحت مدل‌سازی است. در این پژوهش مشخص شد، آرایش ذرات نانولوله اتفاقی بوده و رفتار کشسان-پلاستیک نانوکامپوزیت نیز به شکل سخت ­شونده همسان است. همچنین نشان داده شد، اثر فصل مشترک بین ذرات نانولوله و ماتریس  همراه با آرایش ذرات در بعد سوم منبع اصلی خطا در مدل است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Mir Hamid Reza Ghoreishy
  • Ghasem Naderi
  • Masoud Mansour
Department of Rubber Processing and Engineering, Faculty of Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box: 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanocomposite
  • carbon nanotube
  • modeling
  • RVE
  • finite element method