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

  • Александр Константинович Соколов Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Олег Константинович Гаришин Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Александр Львович Свистков Институт механики сплошных сред УрО РАН
Ключевые слова: эластомер, дисперсный наполнитель, структурная поврежденность, критерии разрушения, межфазные микрослои, микротяжи, компьютерное моделирование

Аннотация

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.

Литература


  1. 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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.

  10. 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

  11. 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.

  12. 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

  13. 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

  14. 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.

Опубликован
2019-12-30
Как цитировать
Соколов, А. К., Гаришин, О. К., & Свистков, А. Л. (2019). Структурное моделирование развития поврежденности в дисперсно наполненных эластомерных нанокомпозитах с учетом межфазных взаимодействий. Вычислительная механика сплошных сред, 12(4), 378-389. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.4.32
Раздел
Статьи