Computational study of transport phenomena in flake filled composite materials

Mapping Intimacies ◽

10.12681/eadd/47257 ◽

2020 ◽

Author(s):

Ανδρέας Τσιαντής

Keyword(s):

Composite Materials ◽

Computational Study ◽

Transport Phenomena ◽

Representative Volume ◽

Improvement Factor ◽

Representative Volume Elements ◽

Filled Composite

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο μεταβάλλεται o συντελεστής διαπερατότητας ενός σύνθετου υλικού, ενισχυμένου με φυλλίδια, με έμφαση στις πολυμερικές μεμβράνες. Οι ιδιότητες των υλικών αυτών μεταβάλλονται από την παρουσία και τις ιδιότητες των φυλλιδίων, όπως η αναλογία διαστάσεων (α), το κλάσμα όγκου (φ), ο προσανατολισμός (θ) και η διακύμανση του προσανατολισμού (θ+ε). Δείχνουμε ότι ως αποτέλεσμα της διασποράς των φυλλιδίων στο υλικό, παράγονται υλικά με βελτιωμένες ιδιότητες φραγμού αφού η ύπαρξη των φυλλιδίων προκαλεί αύξηση στην διαδρομή που πρέπει να ακολουθηθεί από τα μόρια, ιόντα κλπ, διαμέσου του υλικού. Αυτός ο βαθμός δυσκολίας περιγράφεται από τον συντελεστή Barrier Improvement Factor (BIF) ο οποίος χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση της επίδρασης της παρουσίας φυλλιδίων στις ιδιότητες φραγμού. Εκτός από την τεχνολογική σημασία αυτού του θέματος, πρόσθετο κίνητρο για την έρευνα αυτή ήταν το γεγονός ότι τα ήδη προτεινόμενα μοντέλα έχουν δείξει ένα μικρό εύρος εφαρμογής και γενικά έχουν περιορισμένη επιτυχία στην παροχή ενός ενοποιητικού πλαισίου για την περιγραφή των ιδιοτήτων φραγμού των εν λόγω υλικών. Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το ζήτημα, πραγματοποιήσαμε μια ολοκληρωμένη υπολογιστική μελέτη και προτείνουμε νέα θεωρητικά μοντέλα ικανά να περιγράψουν το BIF για μια σειρά μεγεθών, συγκεντρώσεων και προσανατολισμών φυλλιδίων. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιήσαμε 2D & 3D RVEs (Representative Volume Elements) με περιοδικές γεωμετρίες και περιοδικές οριακές συνθήκες που δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας μια ποικιλία υπολογιστικών εργαλείων που περιλαμβάνουν εφαρμογές και αλγορίθμους που γράφτηκαν και υλοποιήθηκαν για τις ανάγκες αυτής της μελέτης. Στη συνέχεια δημιουργήθηκαν γεωμετρίες και εκτελέστηκαν προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας την εργαλειοθήκη του OpenFOAM στο εργαστηριακό μας cluster το οποίο στήθηκε στην αρχή αυτής της διατριβής. Με αυτόν τον συνδυασμό υφιστάμενων και νέων υπολογιστικών εργαλείων καταφέραμε να δημιουργήσουμε μια ακολουθία ενεργειών που μας επέτρεψε να τρέχουμε χιλιάδες προσομοιώσεις και οι οποίες καλύψανε όλες τις παραμέτρους που μελετήθηκαν στο πλήρες εύρος τους και αποτελούν - όσο γνωρίζουμε - την πιο ολοκληρωμένη μελέτη στη βιβλιογραφία μέχρι στιγμής. Επίσης αντίθετα με προηγούμενες μελέτες οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε RVEs με ρεαλιστική πολυπλοκότητα, που περιείχαν περισσότερα από 1000 φυλλίδια. Ελέγξαμε επίσης τα αποτελέσματά μας σε σχέση με υπάρχοντα μοντέλα που περιγράφονται στη βιβλιογραφία και εξετάσαμε μερικές κοινές παρανοήσεις και προβλήματα που υπάρχουν στον τομέα.

Download Full-text

Modeling the Effective Conductive Properties of Polymer Nanocomposites with a Random Arrangement of Graphene Oxide Particles

PNRPU Mechanics Bulletin ◽

10.15593/perm.mech/2021.2.15 ◽

2021 ◽

pp. 167-180

Author(s):

M. A Tashkinov ◽

A. D Dobrydneva ◽

V. P Matveenko ◽

V. V Silberschmidt

Keyword(s):

Finite Element ◽

Graphene Oxide ◽

Composite Materials ◽

Polymer Matrix ◽

Matrix Cracking ◽

Tunneling Effect ◽

Representative Volume ◽

Representative Volume Elements ◽

Oxide Particles ◽

Conductive Properties

Сomposite materials are widely used in various industrial sectors, for example, in the aviation, marine and automotive industries, civil engineering and others. Methods based on measuring the electrical conductivity of a composite material have been actively developed to detect internal damage in polymer composite materials, such as matrix cracking, delamination, and other types of defects, which make it possible to monitor a composite’s state during its entire service life. Polymers are often used as matrices in composite materials. However, almost always pure polymers are dielectrics. The addition of nanofillers, such as graphene and its derivatives, has been successfully used to create conductive composites based on insulating polymers. The final properties of nanomodified composites can be influenced by many factors, including the type and intrinsic properties of nanoscale objects, their dispersion in the polymer matrix, and interphase interactions. The work deals with modeling of effective electric conductive properties of the representative volume elements of nanoscale composites based on a polymer matrix with graphene oxide particles distributed in it. In particular, methods for evaluating effective, electrically conductive properties have been studied, finite element modelling of representative volumes of polymer matrices with graphene oxide particles have been performed, and the influence of the tunneling effect and the orientation of inclusions on the conductive properties of materials have been investigated. The possibility of using models of resistive strain gauges operating on the principle of the tunneling effect is studied. Based on the finite-element modeling and graph theory tools, we created approaches for estimating changes in the conductive properties of the representative volume elements of a nanomodified matrix subjected to mechanical loading.

Download Full-text