Πρόβλεψη μηχανικής συμπεριφοράς νανοσύνθετων δομών με υπολογιστικές διαδικασίες

Abstract

Nowadays, the demands of modern technologies and new applications have created the need to seek for new, reinforced-innovative materials with low weight and high mechanical properties. For this reason, it is important to find new reinforcing materials that will contribute to improving the mechanical properties of conventional materials. These materials could be sought in the field of nanotechnology. It has already been observed that materials such as carbon nanotubes (CNTs), as well as graphene and boron nitride nanosheets (BNNS), in addition to having low weight and density, they also present excellent mechanical properties. For this reason, their use as strong reinforcements of other materials is considered to be necessary.In this dissertation we investigate the elastic-mechanical behavior of composite materials reinforced with the above nanoreinforcements. The combination of two materials with different composition has necessitated the use of a multiscale modeling technique. In particular, this technique takes into account the dependence of the mechanical properties of the nanostructures on their discrete microstructure, while at the same time combines it with the continuous method of the finite elements for the representation of the matrix material. The interface between the two materials is discretely represented by spring-type elements. This macroscopic, hybrid representation has greatly facilitated the modeling, made it less complex and reduced the computational costs. It also avoided the detailed representation of covalent bonds and Van der waals interactions as well. On the other hand, the method is sufficiently detailed, while via the analysis all the macroscopic properties are possible to be obtained and the microscopic properties effect is clearly identified. In summary, the proposed method represents the nanocomposites in a way that approximates reality, taking into account the physical and mechanical properties of the constituent materials. An extensive parametric analysis is carried out concerning both the increase in elasticity moduli of the reinforced materials and the conditions of stress transfer between the two materials. Specifically, parameters such as the size and the volume fraction of the nano-reinforcement in the composite, the Young’s modulus of the reinforcing material, as well as the interfacial stiffness, are examined. The results highlight the importance of an in-depth simulation of the interfacial zone, while assisting in the planning and design of nanocomposites with appropriate properties for each application.

Στη σύγχρονη τεχνολογία και τις εφαρμογές υπάρχει ζήτηση για προηγμένα σύνθετα υλικά, μικρού βάρους και υψηλής δυσκαμψίας. Για το λόγο αυτό, είναι αναγκαίο να εισαχθούν καινοτόμα πρόσθετα με εξέχουσες ιδιότητες για την ενίσχυση της μηχανικής απόκρισης των σύνθετων υλικών. Αυτές οι ενισχύσεις θα μπορούσαν να αναζητηθούν στον τομέα της νανοτεχνολογίας. Έχει παρατηρηθεί ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), καθώς και τα νανοφύλλα γραφένιου και νιτριδίου του βορίου (BNNS) έχουν μικρό μέγεθος και βάρος, ενώ ταυτόχρονα έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες δεδομένου του υψηλού μέτρου ελαστικότητας αλλά και της υψηλής αντοχή τους σε εφελκυστικά φορτία. Αυτός ο συνδυασμός χαρακτηριστικών τα καθιστά ως ιδανικά συστατικά για χρήση ως ισχυρές ενισχύσεις.Στην παρούσα εργασία εισάγεται μια τεχνική προτυποποίησης πολλαπλών κλιμάκων, προκειμένου να αξιολογηθεί η ελαστική μηχανική συμπεριφορά και τα χαρακτηριστικά μεταβίβασης τάσεων ενός αρχικού υλικού απαρτισμένου από τέτοιου είδους νανοενισχύσεις. Λόγω της μεγάλης εξάρτησης της μηχανικής απόδοσης από την ατομιστική μικροδομή τους, η τεχνική αυτή θα πρέπει να συνδυάζει την διακριτή προσέγγιση της μοριακής μηχανικής με τη συνεχή μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται η τρισδιάστατη ατομιστική μικροδομή του οπλισμού, ενώ το υλικό της μήτρας θεωρείται συνεχές. Στοιχεία ελατηρίου, που συνδέουν τα δύο συστατικά χρησιμοποιούνται για τη προσομοίωση της διεπαφής. Οι μακροσκοπικές αναπαραστάσεις της μήτρας και της διεπαφής, που ενεργοποιούνται σε αυτήν την υβριδική προσέγγιση, μειώνουν σε σημαντικό βαθμό το υπολογιστικό κόστος, ταυτόχρονα με την πολυπλοκότητα της προτυποποίησης. Με τον τρόπο αυτό, αποφεύγεται η εισαγωγή λεπτομερών δεδομένων σχετικά με την δομή του μητρικού υλικού, την πιθανή ύπαρξη ομοιοπολικών δεσμών και τις αλληλεπιδράσεις van der Waals μεταξύ των δύο φάσεων.Η προτεινόμενη μέθοδος είναι λεπτομερής σε ικανοποιητικό βαθμό, καθώς οι μακροσκοπικές ιδιότητες λαμβάνονται μέσω της ανάλυσης, ενώ το αποτέλεσμα των μικροσκοπικών ιδιοτήτων δεν περιορίζεται στις ιδιότητες των μακροδομών. Προσεγγίζεται όσο το δυνατόν ακριβέστερα η πραγματικότητα σε αυτό το είδος νανοσυνθέτων και κάθε συστατικό απεικονίζεται καταλλήλως, ανάλογα με τη φυσική και μηχανική συμπεριφορά του. Διεξάγεται μια εκτεταμένη παραμετρική ανάλυση όσον αφορά τόσο την αύξηση των μέτρων ελαστικότητας των προς ενίσχυση υλικών όσο και τις συνθήκες μεταβίβασης των τάσεων μεταξύ των δύο υλικών. Συγκεκριμένα, εξετάζονται παράμετροι όπως το μέγεθος και η αναλογία όγκου της νανοενίσχυσης στο σύνθετο υλικό, το μέτρο ελαστικότητας του νανοϋλικού, καθώς και η διεπιφανειακή δυσκαμψία. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τη σημασία της διεξοδικής προσομοίωσης της διεπιφανειακής περιοχής, ενώ συνεισφέρουν στον σχεδιασμό νανοσύνθετων με κατάλληλες ιδιότητες για κάθε εφαρμογή καθώς και στην πρόβλεψη της τελικής τους συμπεριφοράς.