[論文レビュー] Multiscale modeling of microscale fiber reinforced composites with nano-engineered interphases

S. I. Kundalwalal, S. Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2015

Composite Material Mechanics参考文献 56被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、マイクロスケールの繊維の周囲に配列されたカーボンナノチューブ（A-CNTs）を有するナノエンジニアリングされたインターフェースを有する繊維強化複合材料における応力伝達を調査するため、マルチスケール計算モデルを開発した。分子動力学とミクロ力学的プルアウトモデルをスプリング層界面モデルと組み合わせることで、A-CNTの軸方向配列がインターフェースの応力伝達を顕著に向上させることを示した一方、界面の弱体化は繊維に沿った径方向応力分布を低下させることを明らかにした。

ABSTRACT

This study is focused on the mechanical properties and stress transfer behavior of multiscale composites containing nano- and micro-scale reinforcements. The distinctive feature of construction of this composite is such that the carbon nanostructures (CNS) are dispersed in the matrix around the continuous microscale fiber to modify microfiber-matrix interfacial adhesion. Such CNS are considered to be made of aligned CNTs (A-CNTs). Accordingly, multiscale models are developed for such hybrid composites. First, molecular dynamics simulations in conjunction with the Mori-Tanaka method are used to determine the effective elastic properties of nano-engineered interphase layer composed of CNS and epoxy. Subsequently, a micromechanical pull-out model for a continuous fiber multi-scale composite is developed, and stress transfer behavior is studied for different orientations of CNS considering their perfect and imperfect interfacial bonding conditions with the surrounding epoxy. Such interface condition was modeled using the linear spring layer model with a continuous traction but a displacement jump. The current pull-out model accounts for the radial as well as the axial deformations of different orthotropic constituent phases of the multiscale composite. The results from the developed pull-out model are compared with those of the finite element analyses and are found to be in good agreement. Our results reveal that the stress transfer characteristics of the multiscale composite are significantly improved by controlling the CNT morphology around the fiber, particularly, when they are aligned along the axial direction of the microscale fiber. The results also show that the CNS-epoxy interface weakening significantly influences the radial stress along the length of the microscale fiber.

研究の動機と目的

• アライドCNTとエポキシ樹脂からなるナノエンジニアリングされたインターフェースを有するマルチスケール複合材料の機械的挙動を調査すること。
• CNTの形状および界面結合状態がハイブリッドマイクロおよびナノ強化複合材料における応力伝達に与える影響を理解すること。
• 複合材料の異方性相における径方向および軸方向変形を考慮したミクロ力学的プルアウトモデルを構築すること。
• 有限要素解析との比較により、モデルの正確性を確認し、インターフェース応力分布の予測精度を検証すること。

提案手法

• CNT-エポキシインターフェース相の有効弾性特性を決定するために、分子動力学シミュレーションとMori-Tanaka均質化法を組み合わせた手法。
• マルチスケール強化を有する連続繊維複合材料を対象としたミクロ力学的プルアウトモデルの開発。
• 変位ジャンプと連続的な応力伝達を表現するための線形スプリング層モデルを用いた界面挙動の表現。
• マイクロファイバー、CNT、マトリックスを含む異方性相における径方向および軸方向変形の組み込み。
• スプリング剛性パラメータを用いて、CNTとエポキシ間の完全および不完全な界面結合状態をモデル化。
• 有限要素シミュレーションとの比較により、解析的プルアウトモデルの正確性を検証し、応力伝達予測の精度を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロファイバー周囲のCNTの配列が、マルチスケール複合材料におけるインターフェース応力伝達にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CNTとエポキシ間の界面結合品質が、繊維に沿った径方向応力分布に与える影響は何か？
• RQ3 異方性相における径方向および軸方向変形が、全体の荷重伝達メカニズムにどのように影響を与えるか？
• RQ4 ナノエンジニアリングされたインターフェースは、マイクロスケール繊維強化複合材料の機械的性能をどの程度向上させるか？
• RQ5 提案された解析的プルアウトモデルは、有限要素解析と比較して、応力伝達をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• マイクロファイバー周囲のCNTの軸方向配列が、複合材料における応力伝達効率を顕著に向上させる。
• ナノエンジニアリングされたインターフェースは、特にCNTが繊維軸に沿って配列されている場合、インターフェースの荷重伝達を強化する。
• CNT-エポキシ界面が弱体化すると、繊維長方向に沿った径方向応力が著しく低下する。
• 開発されたミクロ力学的プルアウトモデルは、有限要素解析の結果と良好な一致を示した。
• モデルは、マルチスケール複合材料の異方性相における径方向および軸方向変形の連成挙動を適切に捉えている。
• Mori-Tanaka法は、CNT-エポキシインターフェース層の有効弾性特性を正確に予測できる。