[論文レビュー] 3D Fluorescent Mapping of Invisible Molecular Damage after Cavi-tation in Hydrogen Exposed Elastomers

Xavier Morelle, Gabriel E. Sanoja+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2021

Soft Robotics and Applications参考文献 48被引用数 35

ひとこと要約

本研究は、気泡崩壊後の水素曝露エラストマーにおける分子損傷を可視化する非破壊的3D蛍光マッピング法を提示し、花のような亀裂パターンと不連続な破壊挙動を明らかにする。

ABSTRACT

Elastomers saturated with gas at high pressure suffer from cavity nucleation, inflation, and deflation upon rapid or explosive de-compression. Although this process often results in undetectable changes in appearance, it causes internal damage, hampers func-tionality (e.g., permeability), and shortens lifetime. Here, we tag a model poly(ethyl acrylate) elastomer with {\\pi}-extended anthracene-maleimide adducts that fluoresce upon polymer chain scission, and map in 3D the internal damage present after a cycle of gas satu-ration and rapid decompression. Interestingly, we observe that each cavity observable during the decompression results in a dam-aged region, the shape of which reveals a fracture locus of randomly oriented penny-shape cracks (i.e., with a flower-like morpholo-gy) that contain crack arrest lines. Thus, cavity growth likely proceeds discontinuously (i.e., non-steadily) through the stable and unstable fracture of numerous 2D crack planes. This non-destructive methodology to visualize in 3D molecular damage in polymer networks is novel and serves to understand how fracture occurs under complex 3D loads, predict mechanical aging of pristine look-ing elastomers, and holds potential to optimize cavitation-resistant materials.

研究の動機と目的

• 表面外観が変わらない場合でも、ガスキャビテーション後のエラストマー内部損傷を検出する必要性を動機づける。
• ガス飽和と急速減圧後の高分子ネットワークの3D分子損傷をマッピングする非破壊イメージング法を開発する。
• エラストマーにおけるキャビテーションの破壊機構と亀裂幾何を理解し、老化を予測し材料設計を指導する。

提案手法

• π-拡張アントラセン-マレイミド付加体を含むポリ(エチルアクリレート)エラストマーに蛍光を発するようタグ付けし、ポリマー鎖切断時に蛍光を示す。
• ガス飽和と急速減圧のサイクル後の内部分子損傷を可視化する3D蛍光マッピングを実施する。
• 損傷の空間パターンを分析して破壊発生点と亀裂幾何を推定する。
• 観察される損傷パターンを、亀裂停止線を伴う複数のランダム方向性のペニー型亀裂を横断して破壊過程の証拠として解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3D蛍光マッピングは、水素曝露エラストマーのキャビテーション後の内部分子損傷をどのように明らかにするのか？
• RQ2 キャビテーション誘発損傷に関連する亀裂パターンの幾何と組織はどうなっているのか？
• RQ3 空洞成長は連続的に進行するのか不連続的に進行するのか、亀裂平面は損傷の局在化にどう寄与するのか？

主な発見

• 減圧中に観察される各キャビティは、周囲材料の損傷領域に対応する。
• 損傷パターンは、停止線を持つランダムに配向したペニー型亀裂からなる花のような形態を形成する。
• キャビティ成長は不連続に見え、多様な2D亀裂平面の安定・不安定破壊によって推進される。
• この方法は、3D分子損傷を非破壊的に可視化する手段を提供し、複雑な3D荷重下での破壊に関する洞察を与える。