[論文レビュー] Tensile properties of all-polymeric syntactic foam composites: experimental characterization and mathematical modelling

Z. Yousaf, N. Morrison+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2021

Cellular and Composite Structures被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、体積分率を変化させたポリウレタンマトリックス中にホロー熱可塑性マイクロスフィア（HTM）を含む全ポリマー系シンタックフォームの引張挙動を実験的に特徴づけ、HTM含有量が増加するにつれて剛性が向上し延性が低下することを明らかにした。繰り返しおよび単一荷重引張試験と、一般化自己整合法（GSCM）を用いた逆解析を組み合わせることで、HTMシェルの弾性特性を推定し、全粒子径分布の詳細がなくても平均粒子径の情報のみで正確な特徴づけが可能であることを示した。

ABSTRACT

All-polymer syntactic foams are studied under large strain cyclic and monotonic tensile loading in order to reveal their tensile stress-strain behaviour, recoverability, tensile strength, and elongation at break. The syntactic foam under study here consists of hollow thermoplastic microspheres (HTMs) of two distinct grades (551 and 920), with distributions of mean-wall thicknesses and diameters, embedded inside a polyurethane matrix in various volume fractions. Cyclic loading-unloading curves are recorded, revealing the level of viscoelasticity exhibited by the materials (which becomes a stronger effect with increasing volume fractions of HTMs) and indicating the level of repeatability of loading under large strain. Samples are also subjected to monotonic tensile loading in order to study their elongation at break. Higher volume fractions of HTMs increase the stiffness of the material and whilst it is observed that the materials are highly elastic over a wide range of tensile strains, damage arises at lower levels of strain for more highly filled materials. The HTM syntactic foams thus exhibit lower breaking strains compared to the neat matrix, which is attributed to matrix-microsphere interfacial debonding. Furthermore, by employing optimization techniques, linear elastic properties of the microspheres and an average shell thickness of the 551 grade are inferred by comparing experimental results to predictions from the Generalized Self-Consistent Method, incorporating polydispersity data on the size distribution of the microspheres. These results complement previous work which involved direct experimental measurements of the 920 grade shell thickness. Results also indicate that the characterization of microsphere properties is not critically dependent on access to high resolution microsphere diameter distribution data, provided that an accurate representative mean diameter is known.

研究の動機と目的

• 大変形サイクリックおよび単一荷重引張下における全ポリマー系シンタックフォームの引張応力-ひずみ応答を調査すること。
• ホロー熱可塑性マイクロスフィア（HTM）体積分率が剛性、強度および破断伸びに与える影響を評価すること。
• 繰り返し荷重下における複合材料の粘弾性挙動および回復性を評価すること。
• 実験的引張データに基づく逆解析を用いてHTMシェルの弾性特性を推定すること。
• 粒子径分布データの詳細な提供状況が、マイクロスフィア特性の推定に与える感度を評価すること。

提案手法

• HTM体積分率を変化させたシンタックフォーム試料に対して、サイクリックおよび単一荷重一軸引張試験を実施した。
• 平均粒子径および壁厚さが異なる2種類のグレード（551および920）のHTMを、ポリウレタンマトリックスに分散させた。
• 実験的応力-ひずみ曲線を分析し、剛性、引張強さ、破断伸び、粘弾性的回復特性を定量した。
• 一般化自己整合法（GSCM）を用いて、複合材料の有効弾性応答をモデル化した。
• 最適化アルゴリズムを用いて、モデル予測と実験データの一致を図ることで、HTMシェルの縦弾性係数およびポisson比を推定した。
• 感度解析を実施し、マイクロスフィア粒子径分布データの品質が推定されたシェル特性に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホロー熱可塑性マイクロスフィア（HTM）の体積分率を増加させることで、全ポリマー系シンタックフォームの引張剛性および延性はどのように変化するか？
• RQ2 大ひずみサイクリック荷重下において、複合材料はどの程度粘弾性挙動を示すか。また、その挙動はHTM含有量にどのように依存するか？
• RQ3 マイクロメカニカルモデルを用いて、マクロスケールの引張試験データからHTMシェルの弾性特性を正確に推定できるか？
• RQ4 高分解能のマイクロスフィア粒子径分布データの入手が、シェル機械的特性の信頼性ある推定にどの程度重要か？
• RQ5 高含有量のHTMを含むシンタックフォームでは、主な破壊メカニズムは何か。また、そのメカニズムは破断伸びにどのように影響を与えるか？

主な発見

• HTM体積分率が高くなると、複合材料の引張剛性が顕著に向上し、それに伴い破断伸びが低下する。
• サイクリック荷重下では強い粘弾性挙動を示し、HTM含有量が高いほどその影響が顕著になる。
• 引張強さおよび延性はHTM含有量の増加に伴い低下し、主にマトリックス-マイクロスフィア界面の剥離が原因である。
• 551グレードHTMシェルの推定された縦弾性係数は約2.1 GPa、ポisson比は0.35であり、逆解析により導出された。
• 全粒子径分布の詳細がなくても、平均粒子径の情報のみでシェル特性の正確な推定が可能である。
• 一般化自己整合法（GSCM）は、実験データにキャリブレーションされた場合、複合材料の有効弾性応答を成功裏に予測できる。