[論文レビュー] Simulation of Particle Size Effect on Dynamic Properties and Fracture of PTFE-W-Al Composites

Eric B. Herbold, Jing Cai+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2007

Tribology and Wear Analysis被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、マルチマテリアルEuler形式および任意Lagrangian-Euler形式のシミュレーションを用いて、タングステン（W）粒子のサイズがPTFE-W-Al複合材料の動的機械的挙動および破壊に与える影響を調査した。結果から、微細なW粒子は、動的圧縮下でのPTFEマトリックス内での荷重移行の向上により、より高いひずみ率下でも力の鎖（force chain）形成を促進し、強度を向上させることを示した。

ABSTRACT

Recent investigations of the dynamic compressive strength of cold isostatically pressed composites of polytetrafluoroethylene (PTFE), tungsten (W) and aluminum (Al) powders show significant differences depending on the size of metallic particles. The addition of W increases the density and overall strength of the sample. To investigate relatively large deformations multi-material Eulerian and arbitrary Lagrangian-Eulerian methods, which have the ability to efficiently handle the formation of free surfaces, were used. The calculations indicate that the increased strength of the sample with fine metallic particles is due to the formation of force chains under dynamic loading. This phenomenon occurs even at larger porosity of the PTFE matrix in comparison with samples with larger particle size of W and higher density of the PTFE matrix.

研究の動機と目的

• タングステン粒子のサイズがPTFE-W-Al複合材料の動的圧縮強度および破壊挙動に与える影響を理解すること。
• 特に空孔率と粒子サイズを含む微細組織が、高ひずみ率下での機械的応答に与える役割を調査すること。
• 微細な金属粒子を有する複合材料で強度が向上する要因として、力の鎖形成が寄与しているかどうかを特定すること。
• マルチマテリアルEuler形式および任意Lagrangian-Euler形式の手法が、不均一な複合材料における大変形および自由表面の形成をどのようにシミュレートできるかを評価すること。

提案手法

• 大変形および自由表面の進化をモデル化するために、マルチマテリアルEuler形式（MME）および任意Lagrangian-Euler形式（ALE）の計算手法を採用した。
• 異なるタングステン粒子サイズおよびマトリックスの空孔率を有するPTFE-W-Al複合材料に、動的圧縮荷重をシミュレートした。
• PTFEの粘塑性挙動およびWとAlの弾塑性応答を反映する材料モデルを用いた。
• 動的荷重下における応力分布および変形局在化を追跡し、力の鎖の発展を特定した。
• 微細なW粒子と粗いW粒子を有する複合材料を、異なる空孔率で比較するパラメトリックスタディを実施した。
• 先行研究からの動的圧縮強度の実験的傾向と照合して、シミュレーション結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タングステン粒子のサイズは、PTFE-W-Al複合材料の動的圧縮強度にどのように影響するか？
• RQ2 異なるW粒子サイズを有するPTFE-W-Al複合材料において、空孔率は機械的挙動にどのような役割を果たすか？
• RQ3 微細なW粒子を有する複合材料で観察される強度の向上を、力の鎖形成が説明できるか？
• RQ4 マルチマテリアルEuler形式およびALE手法は、不均一な複合材料における自由表面の形成および大変形をどのように捉えているか？
• RQ5 微細なW粒子の存在は、動的荷重下におけるPTFEマトリックス内での荷重移行をより効果的にするか？

主な発見

• 微細なタングステン粒子を有する複合材料は、粗い粒子を有するものよりも高い動的圧縮強度を示した。
• 動的荷重下における力の鎖形成は、空孔率が高めであっても強度向上の主要なメカニズムであった。
• マトリックス密度が低下しても、微細な粒子による強度向上効果が持続することから、微細組織による荷重移行効率の向上が示唆された。
• マルチマテリアルEuler形式およびALE手法は、動的荷重下における複雑な変形および自由表面の進化を的確に捉えた。
• PTFEマトリックス内の空孔率が高くても、微細なW粒子は依然として効果的に力の鎖を形成でき、強度向上効果が維持された。
• シミュレーション結果は、PTFE-W-Al複合材料における動的特性に顕著な粒子サイズ効果が存在することを示す実験的観察と整合した。