Mechanical & fracture characterization of polymer CNT nanocomposites using atomistic simulations

Abstract

Computational physics is regarded as a crucial domain in scientific research worldwide, as it bridges the gap between experimental and theoretical studies. It provides a powerful framework for addressing complex problems from perspectives and under conditions that are often inaccessible through experimental methods due to physical or financial constraints. This is particularly evident in materials science, where atomistic and molecular-level insights are essential. Computational methods are employed, not only to complement and guide experimental efforts but also to drive the development of more accurate macroscopic models. The importance of computational modeling in understanding complex systems, such as polymers and nanocomposites, is highlighted by the growing demand for advanced industrial materials with tailored properties for everyday applications. These models elucidate the relationships between structure, properties, processing, and performance. As a result, materials that are more cost-effective, environmentally sustainable, and energy-efficient can be developed. Fracture, is identified as a critical phenomenon that must be explicitly studied to enable the proper design of new materials and structures. A material’s resistance to crack propagation is influenced by processes occurring across multiple length scales. In this dissertation, fracture behavior in carbon-based nanocomposite polymers is examined using atomistic simulations in three different levels. At the first level, interfacial failure between the filler and the matrix is studied in terms of the interfacial shear strength (IFSS). IFSS is commonly determined in molecular dynamics studies through mechanical pull-out experiments by measuring the drop point in stress-strain curves. However, non-periodic boundaries are often employed along the pull-out direction, rendering these approaches susceptible to size-related effects. In this work, an established method based on the kinetics of local failure mechanisms is extended to study the interface between single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) and epoxy under fully periodic boundary conditions. Shear deformation simulations are conducted across a wide range of temperatures and shear stresses using molecular dynamics (MD). Failure times are recorded and analyzed within the framework of the extended Boltzmann-Arrhenius-Zhurkov kinetic equation, enabling the determination of various parameters, including IFSS. At the second level, predictions of fracture properties for bulk systems are undertaken. A scale-bridging method is proposed to forecast the fracture behavior of highly cross-linked epoxy networks. Classical force fields are combined with the REACTER protocol in the LAMMPS package, utilizing a parameter for bond breaking based on an experimentally derived distance criterion. Macroscopic fracture energy of the epoxy network is anticipated using a continuum fracture mechanics model developed for fibrils. Additionally, the stress intensity factor is extracted from the analysis. At the third and final level, the methodology developed for bulk systems is extended to predict the fracture properties of carbon-based nanocomposites. This contributes to the overarching goal of the dissertation, which is to accurately predict the fracture properties of polymer nanocomposites using atomistic simulations. The methodology, which combines empirical force fields with experimental data, enhances the computational efficiency of the calculations while ensuring consistency with experimental results.

Η υπολογιστική φυσική θεωρείται ένας κρίσιμος τομέας της επιστημονικής έρευνας παγκοσμίως, καθώς γεφυρώνει πειραματικές και θεωρητικές μελέτες. Μέσω αυτής, μπορούμε να αντιμετωπίσουμε σύνθετα προβλήματα, από μια σκοπιά συχνά απρόσιτη μέσω πειραματικών μεθόδων λόγω φυσικών ή άλλων περιορισμών, πράγμα ιδιαίτερα χρήσιμο στην επιστήμη υλικών, όπου η μελέτη φαινομένων σε ατομικό και μοριακό επιπέδου είναι απαραίτητη. Οι υπολογιστικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται, όχι μόνο συμπληρωματικά στις πειραματικές μελέτες, αλλά και προωθητικά στην ανάπτυξη ακριβέστερων μακροσκοπικών μοντέλων. Η αξία της υπολογιστικής μοντελοποίησης για την κατανόηση πολύπλοκων συστημάτων, όπως τα πολυμερή και τα νανοσύνθετα υλικά, επισημαίνεται από την αυξανόμενη ζήτηση προηγμένων βιομηχανικών υλικών με ειδικά σχεδιασμένες ιδιότητες για καθημερινές εφαρμογές. Μέσω αυτής της μοντελοποίησης, διακρίνονται οι σχέσεις μεταξύ δομής, ιδιοτήτων, παραγωγής και απόδοσης τέτοιων υλικών. Ως αποτέλεσμα, αναπτύσσονται υλικά που είναι οικονομικά και ενεργειακά πιο αποδοτικά, καθώς επίσης και περιβαλλοντικά βιώσιμα. Η μελέτη των θραυστομηχανικών ιδιοτήτων ενός υλικού είναι άκρως σημαντική προκειμένου να καταστεί δυνατός ο σωστός σχεδιασμός κατασκευών και νέων υλικών. Η αντίσταση ενός υλικού στη διάδοση ρωγμών επηρεάζεται από φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα σε πολλαπλές κλίμακες μήκους. Στο πλαίσιο αυτό, στην παρούσα διατριβή εξετάζεται η θαυστομηχανική συμπεριφορά νανοσύνθετων πολυμερικών δικτύων με βασικό ενισχυτικό μέσο τους νανοσωλήνες άνθρακα, με τη χρήση ατομιστικών προσομοιώσεων. Σε πρώτο επίπεδο, μελετάται η διεπιφανειακή αστοχία μεταξύ της ενίσχυσης και της μήτρας, με βάση τη διατμητική διεπιφανειακή αντοχή (IFSS). Στις μελέτες μοριακής δυναμικής, η IFSS προσδιορίζεται συνήθως μέσω πειραμάτων μηχανικής αποκόλησης και αντιστοιχεί στην τάση του σημείου πτώσης στις καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης. Ωστόσο, συχνά χρησιμοποιούνται μη περιοδικές συνοριακές συνθήκες κατά μήκος της διεύθυνσης φόρτισης, καθιστώντας αυτές τις προσεγγίσεις ευαίσθητες σε επιδράσεις που σχετίζονται με το μέγεθος του χώρου προσομοίωσης. Στην παρούσα εργασία, μια μέθοδος που βασίζεται στην κινητική των τοπικών μηχανισμών αστοχίας επεκτείνεται για τη μελέτη της διεπιφάνειας μεταξύ νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNT) και εποξειδικού υλικού με περιοδικές συνοριακές συνθήκες. Πραγματοποιούνται προσομοιώσεις διατμητικής παραμόρφωσης σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και διατμητικών τάσεων με χρήση μοριακής δυναμικής (MD). Οι χρόνοι αστοχίας καταγράφονται και αναλύονται με μια επέκταση της εξίσωσης Boltzmann-Arrhenius-Zhurkov, επιτρέποντας τον προσδιορισμό διαφόρων μακροσκοπι-κών παραμέτρων, συμπεριλαμβανομένης της IFSS. Σε δεύτερο επίπεδο, υπολογίζονται οι θραυστομηχανικές ιδιότητες μη τροποποιημένων εποξειδικών δικτύω, μέσω μιας μεθόδου γεφύρωσης κλίμακας με χρήση μοριακής δυναμικής. Τα κλασικά μοριακά δυναμικά, συνδυάζονται με το πρωτόκολλο REACTER στο πακέτο LAMMPS, με την χρήση μίας παραμέτρου για τη θραύση δεσμών που βασίζεται σε ένα πειραματικά εξαγόμενο κριτήριο θραύσης. Ο μακροσκοπικός ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας θραύσης του εποξειδικού δικτύου, προβλέπεται με τη χρήση ενός θραυστομηχανικού μοντέλου συνεχούς μέσου που αναπτύχθηκε για άμορφα υαλώδη πολυμερή. Επιπλέον από την ανάλυση, εξάγεται ο συντελεστής συγκέντρωσης τάσεων. Σε τρίτο και τελευταίο επίπεδο, η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για τα μη τροποποιημένα συστήματα, επεκτείνεται για τον υπολογισμό των θραυστομηχανικών ιδιοτήτων νανοσύνθετων υλικών με βάση τον άνθρακα. Αυτό συμβάλλει στον γενικότερο στόχο της διατριβής, ο οποίος είναι η ακριβής πρόβλεψη των ιδιοτήτων θραύσης πολυμερικών νανοσύνθετων υλικών με τη χρήση ατομιστικών προσομοιώσεων. Η μεθοδολογία, η οποία συνδυάζει κλασσικά μοριακά δυναμικά με πειραματικά δεδομένα, μειώνει το υπολογιστικό κόστος των προσομοιώσεων, ενώ παράλληλα διασφαλίζει τη συνοχή τους με τα πειραματικά αποτελέσματα.