Моделирование
Трибоупругая модель усиления эластомерного композита
Двухуровневая модель механического поведения эластомерного нанокомпозита
Проведение экспериментов и обработка результатов
Двухосные механические испытания. Оптимизация формы образцов
Картографический метод представления рельефа поверхности
Анализ микроструктуры полимерных композитов
Наномеханическое картирование полимерных композитов
Наноиндентация твердых поверхностей
Моделирование
Трибоупругая модель усиления эластомерного композита
Предложена математическая модель структурной ячейки эластомерного композита: две подложки, представляющие поверхность смежных включений, объединены лежащей на них нелинейной упругой пружиной, представляющей макромолекулу, связанную с частицами силами адсорбции.
ПодробнееРис. 2 демонстрирует влияние адгезионной прочности на кривые растяжения для 25%-го объемного наполнения технически углеродом. Увеличение адгезионной прочности от 0.1 до 2 сохраняет разрывные деформации, на высоком уровне, близкими к максимальной величине 4.5 при одновременном значительном повышении модуля упругости. При более высокой адгезионной прочности разрывные деформации начинают быстро снижаться.
Трибоупругая структурная модель объясняет влияние микроструктурных особенностей нанокомпозитов на форму релаксационных циклов. С этой точки зрения, она может оказаться полезной для разработчиков новых нанокомпозитных материалов.
Сопутствующие публикации:
- V.V. Moshev, S.E. Evlampieva Potentiality of the triboelastic approach for clarifying the filler reinforcement mechanism in elastomers // International Journal of Solids and Structures. 2005. V. 42. P. 5129-5139.
- Мошев В.В., Евлампиева С.Е. Структурное моделирование временной зависимости эластомерных композитов, наполненных наночастицами. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. Т. 13. № 3. С. 400-407.
- Мошев В.В., Евлампиева С.Е. Роль трибоупругости в формировании циклического поведения эластомерных нанокомпозитов // Механика композиционных материалов и конструкций. 2008. Т. 14. № 4. С. 511-517.
Двухуровневая модель механического поведения эластомерного нанокомпозита
Предложена структурно-феноменологическая двухуровневая модель эластомерного нанокомпозита. В основу положена информация о возможности использования для построения системы определяющих уравнений трех отсчетных состояний, которые реально существуют в мире и которые можно наблюдать на однородно-деформированных образцах: Это исходное состояние образца, состояние образца после снятия внешней нагрузки и продолжительного отдыха, состояния образца после мгновенного снятия нагрузки. Полагается, что переход от одного состояния к другому осуществляется с помощью тензоров растяжения без поворотов как абсолютно твердого тела.
ПодробнееПредложенная модель использована для описания свойств эластомерных нанокомпозитов на основе одного бутадиен-стирольного связующего и разных видов наполнителей (активных и неактивных) и разных их объемных содержаний.
Сопутствующие публикации:
- Морозов И.А., Свистков А.Л. Структурно-феноменологическая модель механического поведения резины // Механика композиционных материалов и конструкций, 2008. Т.14. №4. С. 583-597.
- Morozov I.A., Svistkov A.L. Structural-phenomenological model of the mechanical behavior of rubber // Composites: Mechanics, Computations, Applications, An International Journal. 2010. V. 1. №1. P. 63-79.
- Stoekelhuber K.W., Svistkov A.L., Pelevin A.G., Heinrich G. Impact of filler surface modification on large scale mechanics of styrene butadiene/silica rubber composites // Macromolecules. 2011. V. 44. N. 11. P. 4366-4381.
Проведение экспериментов и обработка результатов
Двухосные механические испытания. Оптимизация формы образцов
Расчет оптимальной формы плоских образцов для испытаний на двухосное растяжение. Численно показано и экспериментально подтверждено, что наличие надрезов в образцах приводит к более однородным полям напряжений и деформаций.
(1) – разброс эквивалентных напряжений выделенной области образца без надрезов; (2) – с 9-ю надрезами; (3) – экспериментальное подтверждение однородности деформаций.
ПодробнееДля центральных частей образцов различных форм проведены численные расчеты однородности полей эквивалентных напряжений и перемещений. Таким образом была выбрана оптимальная форма образца.
Эксперименты с образцами обычной и оптимальной формы подтвердили численные расчеты. Для отслеживания однородности поля деформаций на образцы наносили линии. В результате установлено, что линии нанесенные на образец с 5-ю надрезами практически не изменяют свою форму, прямые линии во внутренней области остаются прямыми.
Картографический метод представления рельефа поверхности
Статистический анализ изображения микрорельефа поверхности. Результатом является физически обоснованный нулевой уровень, относительно которого отсчитываются возвышенности, либо впадины.
Картографическое представление микрорельефа (30х30 мкм) зубной эмали с нанесенной ‘L’-образной меткой до и после отбеливания.
ПодробнееВыделение вершин/равнин/впадин в структуре рельефа позволяет отдельно анализировать эти области. В частности, было показано, что отбеливание сильнее всего разъедает зубную эмаль в области впадин, т.е. ведет к прорастанию дефектов вглубь зуба.
Сопутствующие публикации:
- Морозов И.А., Свистков А.Л., Гилёва О.С., Ерофеева Е.С. Экспериментальное исследование влияния профессионального отбеливания на микроструктуру поверхности эмали зубов // Российский журнал биомеханики. 2010. Т. 14. № 1 (47). С. 56-64.
- И.А. Морозов, А.Ю. Беляев, Р.И. Изюмов, Е.С. Ерофеева, О.С. Гилева. Экспериментальное исследование микроструктуры поверхности эмали человеческих зубов // Материаловедение. 2012. №7. С. 50-55.
- I.A. Morozov, A.L. Svistkov, O.S. Gileva, E.S. Erofeeva. Experimental investigation of the influence of bleaching on enamel surface microstructure // Russian Journal of Biomechanics. 2010. V. 14, No. 1 (47). P. 55–63
- I. A. Morozov, A. Yu. Belyaev, R. I. Izyumov, E. S. Erofeeva, O. S. Gileva. Impact of Whitening on the Microstructure of Human Tooth Enamel // Inorganic Materials: Applied Research. 2013. V. 4. N. 1. P. 71–76.
Анализ микроструктуры полимерных композитов
Методика количественного анализа микроструктуры наполненных полимеров на основе изображений атомно-силовой микроскопии. Определяются как параметры отдельных включений, их взаиморасположение, так и образованных ими кластеров.
Подробнее1. Первичную обработку изображений – разделение (сегментацию) рельефа на отдельные участки, соотносимые с включениями в связующем. Подразделение сегментов на первичные включения и микрогранулы (сгустки включений – непромесы).
2. Обработка и анализ результатов: a) определение характеристик сегментов; b) оценка однородности расположения наполнителя в связующем; c) идентификация и определение структурных свойств вторичных образований – фрактальных кластеров.
Особенностью метода является то, что исходный рельеф представляет собой трехмерную поверхность, имеющую как низменности так и возвышенности. Разработанные алгоритмы анализируют локальные особенности рельефа и позволяют идентифицировать сегменты/включения, находящиеся на разной высоте друг относительно друга. Таким образом удается получить более полную информацию о микроструктуре материала.
Результатом являются структурные характеристики материала: форма, размеры, % микрогранул, однородность распределения наполнителя по площади (объему), фрактальные свойства кластеров.
Сопутствующие публикации:
- Морозов И.А. Методика анализа микроструктуры полимерных композитов при помощи атомно-силовой микроскопии // Материаловедение. 2011. № 7. С. 34-42.
- Morozov I.A., Lauke B., Heinrich G. Quantitative microstructural investigation of carbon-black-filled rubbers by AFM // Rubber chemistry and technology. 2012. V. 85. N. 2. P. 244-263.
- Morozov I.A. Identification of primary and secondary filler structures in a polymer matrix by atomic force microscopy images analysis methods // Polymer composites. 2013. V. 43. N. 3. P. 433-442.
Наномеханическое картирование полимерных композитов
Использование атомно-силового микроскопа при изучении механических свойств поверхности материалов на наноуровне.
Наномеханическое картирование предельно растянутых материалов.
ПодробнееРис. 2. Поверхность 1.3х1.3 мкм критически растянутого вулканизата, наполненного техуглеродом и глиной: адгезия, жесткость. Стрелками указаны чешуйки глины, овалами – агрегаты углерода. Макроскопическая деформация резины (и присутствие техуглерода) приводит к разрушению модифицированной глины на более мелкие фрагменты. Возможные очаги развития трещин в глине показаны пунктирными линиями.
Сопутствующие публикации:
- Морозов И.А. Атомно-силовая микроскопия нанотяжей в микроразрывах поверхности недеформированного вулканизированного натурального каучука // Каучук и резина. 2013. № 2. В печати.
- S. Rooj, A. Das, I. A. Morozov, K. W. Sto”ckelhuber, R. Stocek, G. Heinrich. Influence of ‘‘expanded clay’’ on the microstructure and fatigue crack growth behavior of carbon black filled NR composites // Composites science and technology. 2013. V. 76. P. 61-68.
Наноиндентация твердых поверхностей
Исследования проводятся на атомно-силовом микроскопе специальным алмазным зондом (радиус – 40 нм) на жесткой (k=440 Н/м) стальной балке.
Наноиндентация кристаллов на поверхности соли.
Анализ силовых кривых позволяет определить локальные механические характеристики отдельных участков поверхности.
Последняя редакция: 30-04-2013
var _gaq = _gaq || []; _gaq.push(['_setAccount', 'UA-40538528-1']); _gaq.push(['_trackPageview']);
(function() { var ga = document.createElement('script'); ga.type = 'text/javascript'; ga.async = true; ga.src = ('https:' == document.location.protocol ? 'https://ssl' : 'http://www') + '.google-analytics.com/ga.js'; var s = document.getElementsByTagName('script')[0]; s.parentNode.insertBefore(ga, s); })();