[論文レビュー] Study of the Fracturing Behavior of Thermoset Polymer Nanocomposites via Cohesive Zone Modeling

Yao Qiao, Marco Salviato|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2018

Mechanical Behavior of CompositesEngineering参考文献 38被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、破壊プロセスゾーン（FPZ）の非線形効果を定量的に評価するため、 cohesive zone modeling とサイズ効果則（SEL）を用いて熱硬化性ポリマー系ナノコンpositesの破壊挙動を調査した。線形弾性破壊力学（LEFM）は、無視できないFPZ効果のため、破壊エネルギー推定値に150%を超える誤差を生じさせることを示した。一方、二重線形 cohesive law は、特にグラフェン強化ナノコンpositesにおいて優れた精度を示したが、ナノフィラーの影響により初期 cohesive 応答は変化しなかった。

ABSTRACT

This work proposes an investigation of the fracturing behavior of polymer nanocomposites. Towards this end, the study leverages the analysis of a large bulk of fracture tests from the literature with the goal of critically investigating the effects of the nonlinear Fracture Process Zone (FPZ). It is shown that for most of the fracture tests the effects of the nonlinear FPZ are not negligible, leading to significant deviations from Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) sometimes exceeding 150% depending on the specimen size and nanofiller content. To get a deeper understanding of the characteristics of the FPZ, fracture tests on geometrically-scaled Single Edge Notch Bending (SENB) specimens are analyzed leveraging a cohesive zone model. It is found that the FPZ cannot be neglected and a bi-linear cohesive crack law generally provides the best match of experimental data.

研究の動機と目的

• 熱硬化性ポリマー系ナノコンポジットの破壊挙動に及ぼす非線形破壊プロセスゾーン（FPZ）の影響を厳密に評価すること。
• ナノコンポジットの破壊試験において、有限で無視できないFPZ効果が線形弾性破壊力学（LEFM）の仮定から生じるずれを定量化すること。
• サイズ効果則（SEL）と cohesive zone モデリングが、既存のナノコンポジット破壊に関する文献データを再分析する有効性を評価すること。
• 異なる試験片サイズおよびナノフィラー含有量において、線形または二重線形 cohesive law のどちらが実験的破壊応答をよりよく捉えられるかを特定すること。
• グラフェンナノプレートレート修飾が、特に cohesive law の初期および降下領域にどのように影響を与えるかを調査すること。

提案手法

• 熱硬化性ナノコンポジットに関する文献から得たモードI破壊試験の大量データセットを、サイズ効果則（SEL）を用いて分析し、LEFMからのずれを評価した。
• FPZサイズから導出された特徴的な長さスケールを用いてSELを適用し、構造的サイズ効果および非線形FPZ寄与を特定した。
• 幾何学的にスケーリングされた単一エッジ notched ビーム（SENB）試験片の荷重-変位応答をシミュレートするために、線形および二重線形 cohesive law を用いた cohesive zone モデリングを実施した。
• 線形 cohesive law は、LEFMで算出した値とSEL補正済みの値の両方を用いて、予測精度を比較した。
• Meffordらの研究から得た、複数のサイズおよびフィラー含有量におけるグラフェン強化熱硬化性ナノコンポジットの実験データに、二重線形 cohesive law をフィッティングした。
• モデルパラメータは、予測された破壊荷重と実験値との誤差を最小化するようにキャリブレーションを行い、誤差しきい値を用いてモデル性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形破壊プロセスゾーン（FPZ）効果が、熱硬化性ポリマー系ナノコンポジットにおいて線形弾性破壊力学（LEFM）の仮定をどれほど無効にするか？
• RQ2 異なる試験片サイズおよびナノフィラー含有量を有するナノコンポジット破壊試験にLEFMを適用した場合、破壊エネルギー推定値に生じる誤差はどの程度顕著か？
• RQ3 異なるスケールでナノコンポジットの破壊挙動を評価する際、二重線形 cohesive law は線形 cohesive law よりも実験データに適合するか？
• RQ4 グラフェンナノプレート状修飾が、cohesive law の初期および降下領域における応力-変位応答にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ナノ修飾が破壊靭性を顕著に変化させる条件は何か、またどのような状況では無視できるとみなせるか？

主な発見

• 正規化破壊強度と正規化サイズの二重対数プロットは、サイズ効果則（SEL）と極めて良好に一致しており、大多数のナノコンポジット破壊データがLEFMが不適切となる遷移領域にあることを確認した。
• 特に小サイズ試験片および高ナノフィラー含有量の条件下では、無視できないFPZ効果のため、LEFMに基づく破壊エネルギー推定値に最大156%の誤差が生じた。
• 二重線形 cohesive law は、破壊挙動を非常に正確に記述しており、全試験サイズおよびグラフェン含有量で予測された構造的強度の誤差が7%未満にとどまった。
• SEL補正済み破壊エネルギーを用いた線形 cohesive law は、やや良好な一致（誤差≤30%）を示したが、二重線形モデルに比べて性能が劣った。
• グラフェンナノプレートレートによるナノ修飾は、破壊開口が約20 µm未満の初期部分の cohesive law に影響を及ぼさず、これは靭化メカニズムがより大きな変位で活性化されることを示唆している。
• 高グラフェン含有量に伴う総破壊エネルギーの増加は、二重線形 cohesive law の第二（降下）セグメントの傾きの変化に完全に起因しており、これは破壊開口が大きくなると、クラック偏向やブリッジングといったエネルギー吸収メカニズムが働くことを示している。