بررسی اثر نانوذرات سیلیکون کربید بر خواص مکانیکی و گرمایی رزین اپوکسی آرالدایت با روش دینامیک مولکولی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده مهندسی هسته‌ای، کد پستی 1983969411

2 تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، دانشکده مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، کد پستی ۱۷۷۷۶۱۳۶۵۱

چکیده

فرضیه: رزین‌های اپوکسی، پلیمرهای گرماسخت با کاربردهای صنعتی گسترده هستند. ویژگی‌های برجسته این رزین‌ها در حوزه‌های مختلف توجه زیادی را جلب کرده است. ویژگی‌هایی از قبیل نسبت استحکام و سفتی به وزن زیاد، به برتری پلیمرهای تقویت‌شده نسبت به نمونه‌های تقویت‌نشده، منجر شده است. استفاده از نانوذرات به‌عنوان تقویت‌کننده در پلیمر موجب بهبود خواصی از قبیل چقرمگی، مقاومت در برابر پیری، استحکام و شکست کامپوزیت‌ها می‌شود.
روش‌ها: در این پژوهش، اثر افزودن نانوذرات سرامیکی سیلیکون کربید بر خواص مکانیکی و گرمایی سامانه رزین اپوکسی آرالدایت LY 5052 و آرادور HY 5052 با استفاده از روش دینامیک مولکولی مطالعه شد. مراحل مختلف شبیه‌سازی از مرحله کمینه‌کردن، متعادل‌سازی، پخت و محاسبات خواص مکانیکی به‌‌‌کمک هنگرد دما و فشار ثابت و هنگرد دما و حجم ثابت بر اساس میدان نیروی COMPASS II انجام شد.
یافته‌ها: نتایج شبیه‌سازی خواص مکانیکی سامانه رزین اپوکسی در دمای 300 کلوین افزون بر تطابق نسبتاً خوب با مراجع تجربی و نظری، بر دقت بیشتر میدان نیروی استفاده‌شده در این پژوهش (COMPASS II) نسبت به کار پیشین (COMPASS) دلالت دارد. همچنین نتایج حاکی از این است، اضافه‌کردن تقویت‌کننده سیلیکون کربید به سامانه رزین اپوکسی، افزون بر افزایش نسبی چگالی، در بهبود خواص مکانیکی از جمله استحکام و سختی و نیز خواص گرمایی سامانه مؤثر است. خواص مکانیکی بهینه سامانه نیز مربوط به درصد‌های کم نانوذرات سیلیکون کربید است. در نمونه‌هایی با درصد وزنی بیشتر، با افزایش درصد وزنی، پدیده کلوخگی تشدید شد. در نتیجه، درصد تخلخل افزایش یافت و موجب کاهش خواص مکانیکی و گرمایی سامانه شد. همچنین، بررسی نقش اندازه ذرات بر خواص مکانیکی و گرمایی سامانه نشان داد، با افزایش اندازه ذرات خواص مکانیکی و گرمایی سامانه کاهش می‌یابد. نانوذرات سیلیکون کربید با سه شکل هندسی متفاوت نیز به سامانه رزین اپوکسی افزوده شد. نتایج نشان داد، خواص مکانیکی سامانه اپوکسی دارای تقویت‌کننده کروی، به‌دلیل داشتن نسبت سطح به حجم (0.6cm-1 ) زیادتر نسبت به حالت استوانه‌ای (0.5cm-1) و صفحه‌ای (0.26cm-1) بیشتر است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Molecular Dynamics Study on the Effect of Silicon Carbide Nanoparticles on Mechanical and Thermal Properties of an Araldite Epoxy Resin

نویسندگان [English]

  • Samaneh Faraji 1
  • Ghasem Alahyarizadeh 1
  • Abdol Hamid Minuchehr 1
  • Mahdi Aghaei 1
  • Behroz Arab 2
1 Department of Nuclear Engineering, Faculty of Engineering, Shahid Beheshti University, Postal Code 1983969411, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, North Tehran Branch, Islamic Azad University, Postal Code 1777613651, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Epoxy resins are thermoset polymers with extensive industrial applications. Their superior properties have attracted great attention in different fields. Having the potential to provide enhanced strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios, reinforced polymers are superior to unreinforced ones. Using nanoparticles as reinforcement in a polymer can improve toughness, aging resistance, strength and fracture of the composites.
Methods: Molecular dynamics method was used to study the effects of silicon carbide (SiC) nanoparticles on the mechanical and thermal properties of the Araldite LY 5052/Aradur HY 5052 epoxy resin. Different simulation phases, including the minimization, equilibration, curing, and calculation of mechanical properties were carried out by NPT and NVT ensembles, based on the COMPASS II force field.
Findings: The simulation results indicated that the mechanical properties of the epoxy resin system at 300 K were not only in good agreement with other experimental and theoretical properties, but also they produced greater accuracy than the previous work by COMPASS force field. The results also indicated that the addition of SiC reinforcement to the epoxy resin system improved the mechanical properties such as strength and hardness as well as the thermal properties of the system while its density increased slightly. They showed that the optimum mechanical properties were related to low concentration of SiC nanoparticles. In epoxy resin with a higher nanoparticles percentage, by increasing the weight percentage, an agglomeration phenomenon occurred, porosity increased, and consequently the mechanical and thermal properties decreased. The effect of particle size on the mechanical and thermal properties of the epoxy resin system also showed that by increasing the particle size, the mechanical and thermal properties of the system were reduced. SiC nanoparticles with 3 different nanoparticle geometries were added to the epoxy resin system. The results showed that, due to a higher surface-to-volume ratio (0.6 1/cm), the epoxy resin system with the spherical reinforcement presented higher mechanical properties than the cylindrical (0.5 1/cm) and planar (0.26 1/cm) reinforcements.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Araldite LY 5052/Aradur HY 5052 epoxy resin
  • silicon carbide nanoparticles
  • reinforcement
  • mechanical and thermal properties
  • molecular dynamics simulation
  1. Wanga Z., Lv Q., Chen S., Li C., Sun S., and Hu S., Glass Transition Investigations on Highly Crosslinked Epoxy Resins by Molecular Dynamics Simulations, J. Molecul. Simulat., 41, 37-41, 2015.
  2. Arab B. and Shokuhfar A., Molecular Dynamics Simulation of Cross-Linked Epoxy Polymers: The Effect of Force Field on the Estimation of Properties, J. Nano-Electron. Phys., 5,2013. DOI: org/10.1080/08927022.2014.998213
  3. Manjunatha G., Rajesh S., Raji G., and Kumara N., Influence of Post Heat Treatment Temperatures on Wear Properties of MWCNTs Reinforced Epoxy Composites, Am. J. Mater. Sci., 5, 183-187, 2015.
  4. Wang J., Xue Z., Li Y., Li G., Wang Y., Zhong W.H., and Yang X., Sergistically Effects of Copolymer and Core-Shell Particles for Toughening Epoxy, J. Polym., 140, 39-46, 2018.
  5. Park H., Kim B., Choi J., and Cho M., Influences of the Molecular Structures of Curing Agents on the Inelastic-Deformation Mechanisms in Highly Crosslinked Epoxy Polymers, J. Polym.,  136, 128-142, 2018.
  6. Hinkley J. and Clancy T., Molecular Modeling of Calculation of Mechanical Properties of Epoxies with Moisture Ingress, J. Polym., 50, 2736-2742, 2009.
  7. Company N., Available: http://www.nedform.com/magento/en/araldite-ly-5052-aradur-5052.html, 1999.
  8. Ge Z., Zhang W., Huang C., and Luo Y., Study on Epoxy Resin Toughened by Epoxidized Hydroxy-Terminated Polybutadiene, J. Mater. Sci., 11, 2018.
  9. Salehian H. and Jenabali Jahromi S.A., Effect of Titanium Dioxide Nanoparticles on Mechanical Properties of Vinyl Ester-Based Nanocomposites, J. Compos. Mater., 49, 2365-2373, 2014.
  10. Lin G., Xie G., Sui G., and Yang R., Hybrid of Nanoparticles with Carbon Fibers on the Mechanical and Wear Properties of Polymer Composites, Compos., Part B: Eng., 43, 44-49, 2012.
  11. Alian A.R., Kundalwal S.I., and Meguid S.A., Multiscale Modeling of Carbon Nanotube Epoxy Composites, J. Polym., 70, 149-160, 2015.
  12. Morshedian J., Abbassi-sourki F., Latifi M., and Maheri H., Polyolefin Elastomer Nanocomposites Reinforcements with Nanosilicon Carbide and Nanoclay Particles., Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 43-55, 2018.
  13. Soltani S., Naderi G., Ghoreishy M.H.R., Shokrzadeh A., and Razmjoo F., Mechanical and Morphological Properties of Short Nylon Fibers and Carbon Nanotubes Reinforced NR/SBR Nanocomposites, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 345-357, 2018.
  14. Griebel M. and Hamaekers J., Molecular Dynamics Simulations of the Elastic Moduli of Polymer–Carbon Nanotube Composites, Comput. Method. Appl. Mech. Eng., 193, 1773-1788, 2004.
  15. Kochetov R., Andritsch T., Morshuis P.H.F., and Smit O.J., Thermal and Electrical Behaviour of Epoxy-Based Microcomposites Filled with Al2O3 and SiO2 Particles, IEEE International Symposium on Electrical Insulation, San Diego, USA, 6-9 June, 2010.
  16. Vahedi F., Shahverdi H.R., and Shokrieh M.M., and Esmkhani M., Effects of Carbon Nanotube Content on the Mechanical and Electrical Properties of Epoxy-Based Composites, New Carbon Mater., 29, 419-425, 2014.
  17. Lu C.T. and Weerasinghe A., Maroudas Dimitrios and Ramasubramaniam Ashwin., A Comparison of the Elastic Properties of Graphene- and Fullerene-Reinforced Polymer Composites: The Role of Filler Morphology and Size, Sci. Rep., 2016. DOI: 10.1038/srep31735
  18. Amal N. and Eman N., Study on Mechanical Properties of Epoxy Polymer Reinforced with NanoSiC Particles, J. Nanosci. Nanotechnol., 1, 89-93, 2013.
  19. Jeyranpour F., Alahyarizadeh G., and Minuchehr H., The Thermo-mechanical Properties Estimation of Fullerene-Reinforced Resin Epoxy Composites by Molecular Dynamics Simulation- A Comparative Study, J. Polym., 88, 9-18, 2016.
  20. Arash B., Wang Q., and Varadan V.K., Mechanical Properties of Carbon Nanotube/Polymer Composites, Sci. Rep., 4, 6479, 2014.
  21. Meller J., Molecular Dynamics, Encyclopedia of Life Science, 2001.
  22. Sun H., Jin Z., Yang C., Akkermans R.L., Robertson S.H., Spenley N.A., Miller S., and Todd S.M., COMPASS II: Extended Coverage for Polymer and Drug-Like Molecule Databases, J. Mol. Model, 2016. DOI:10.1007/s00894-016-2909-0
  23. Frigione M., Maffezzoli A., Finocchiaro P., and Failla S., Cure Kinetics and Properties of Epoxy Resins Containing a Phosphorous-Based Flame Retardant, Adv. Polym. Technol., 22, 329-342, 2003.
  24. Berrahou N., Mokaddem A., Doumi B., Hiadsi S., Beldjoudi N., and Boutaous A., Investigation by Molecular Dynamics Simulation of the Glass Transition Temperature and Elastic Properties of Amorphous Polymers PMMA, PMAAM and PMMA Co PMAAM Copolymers, Polym. Bull., 2017. DOI: 10.1007/s00289-016-1637-z
  25. Tack J.L., Thermodynamic and Mechanical Properties of EPON 862 with Curing Agent DETDA by Molecular Simulation, J. Mol. Graph. Model., 26, 1269-1275, 2008.
  26. Jeyranpour F., Simulation and Optimization of Carbon-Epoxy Composites by Molecular Dynamics for Nuclear Applications Huntsman, Shahid Beheshti University, Tehran, February 2016.
  27. Nasiri. Z. and Mashhady M., Investigation of Simultaneous Effect of Nano and Micron Silicon Carbide on Microstructural Properties and Mechanical Behaviour of Composite with Zirconium Diboride Matrix Reinforced by Aluminum Nitride, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, 2016.
  28. Mo Y., Zhang H., and Xu J., Molecular Dynamic Simulation of the Mechanical Properties of PI/SiO2 Nanocomposite Based on Materials Studio, J. Chem. Pharm. Res., 6, 1534-1539, 2014.
  29. Baharvandi.H., Nasiri.Z., Saeidi M., and Maheri H., Effect of Reinforced Particle Size and Temperature on the Microstructure and Mechanical Properties of Composite with Al-Al2O3 Matrix Produced by Vortex Casting, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, 2012.
  30. Cui W., Shen Z., Yang J., Wub S., and Baic M., Influence of Nanoparticle Properties on the Thermal Conductivity of Nanofluids by Molecular Dynamics Simulation, RSC Adv., 4, 55580, 2014.