[논문 리뷰] A model for the degradation of polyimides due to oxidation

Satish Karra, Κ. R. Rajagopal|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 24.

Synthesis and properties of polymers참고 문헌 19인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 고온 폴리이미드에서 비선형 점탄성 거동와 산화적 분해를 열역학적으로 일관된 방식으로 연결하는 구성 모델을 제안한다. 산화 정도를 나타내는 상태변수 α를 사용한다. 모델은 공기 중 노화 조건에서 PMR-15 수지의 크리프 거동을 성공적으로 예측하며, 헬름홀츠 자유에너지 및 소산 함수에 산화에 의한 변화를 포함시켜 실험 데이터와 양호한 일치를 보인다.

ABSTRACT

Polyimides, due to their superior mechanical behavior at high temperatures, are used in a variety of applications that include aerospace, automobile and electronic packaging industries, as matrices for composites, as adhesives etc. In this paper, we extend our previous model in [S. Karra, K. R. Rajagopal, Modeling the non-linear viscoelastic response of high temperature polyimides, Mechanics of Materials, In press, doi:10.1016/j.mechmat.2010.09.006], to include oxidative degradation of these high temperature polyimides. Appropriate forms for the Helmholtz potential and the rate of dissipation are chosen to describe the degradation. The results for a specific boundary value problem, using our model compares well with the experimental creep data for PMR-15 resin that is aged in air.

연구 동기 및 목표

• 고온 폴리이미드에서 화학적 산화와 기계적 변형을 열역학적으로 일관된 프레임워크로 결합하는 것.
• 이전 모델이 포착하지 못한 산화적 나이징 조건 하에서 폴리이미드의 비선형 점탄성 거동을 고려하는 것.
• 특히 항공우주 및 전자 응용 분야에서 산화 조건 하에서 시간에 따라 변하는 기계적 거동(예: 크리프)을 예측할 수 있도록 하는 것.
• /asphalt 및 생체재료와 같은 유사한 열화 거동을 갖는 다른 재료의 모델링 기반을 제공하는 것.
• 스티오이오메트리, 화학 동역학, 그리고 점탄성 고무의 큰 변형을 동시에 고려하는 모델의 부족을 보완하는 것.

제안 방법

• 산화 정도를 나타내는 스칼라 내부변수 α를 도입함으로써 이전의 점탄성 모델을 확장하여, 열화 상태를 정량화한다.
• 산화로 인한 재료 거동 변화를 반영하기 위해 헬름홀츠 자유에너지 및 소산률 함수를 수정한다.
• 변형률 장에 탄성 및 점탄성 부분을 곱셈 분해하여, 매트릭스 및 점성 요소에서 별개의 응력 기여를 도입한다.
• 최대 엔트로피 생산 원리를 사용하여 α의 진화 방정식을 유도하며, 속도 상수 β 및 γ를 통해 화학 동역학과 결합한다.
• 비선형 미분방정식 시스템(변형 및 α에 대한)을 수치적으로 해결하기 위해 MATLAB의 ode45 솔버를 사용하여 단축축 크리프 조건 하에서 해를 구한다.
• 10 MPa 하에서 공기 중에서 나이징된 PMR-15 수지의 실험적 크리프 데이터를 사용하여 모델 파라미터(예: μp, μG, η, kD, β, γ, δ)를 校정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폴리이미드에서 산화적 분해와 비선형 점탄성 거동 간의 결합을 열역학적으로 일관된 프레임워크 내에서 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 모델은 산화적으로 나이징된 PMR-15 수지의 시간에 따라 변하는 크리프 거동을 어느 정도 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 산화 상태변수 α의 진화가 시간이 지남에 따라 고무의 기계적 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 현재 모델이 산화 중 산소 확산 및 중량 손실을 예측하는 데 가지는 한계는 무엇인가?
• RQ5 이 프레임워크는 복합재료에서의 이방성 산화 또는 열화를 모델링하는 데 확장 가능한가?

주요 결과

• 모델은 공기 중에서 나이징된 후 10 MPa 하중 조건에서 PMR-15 수지의 크리프 거동을 정확하게 예측하며, 실험 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• 산화 상태변수 α의 진화는 온도와 화학 동역학에 의존하는 속도 방정식에 의해 지배되며, 시뮬레이션에서 β = 10 및 γ = 0.3의 파라미터가 사용되었다.
• 모델은 산화로 인한 시간에 따른 연화 및 크리프 가속 현상을 포착하며, 이는 고무 매트릭스의 열화로 기인한다.
• 예측된 응력 비례 및 크리프 거동은 특히 초기 및 중간 나이징 단계에서 실험 관측과 일치한다.
• 모델은 변형이 산화 속도에 미치는 영향을 성공적으로 포함하고 있으나, 이 결합에 대한 실험적 데이터가 없어 검증되지 않았다.
• 모델은 산소 및 반응 생성물의 전달 방정식을 명시적으로 포함하지 않아 산소 확산 또는 중량 손실을 예측하지 못한다.