[논문 리뷰] Study of the Fracturing Behavior of Thermoset Polymer Nanocomposites via Cohesive Zone Modeling

Yao Qiao, Marco Salviato|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 21.

Mechanical Behavior of CompositesEngineering참고 문헌 38인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 열경화성 폴리머 나노복합재의 균열 거동을 공액 영역 모델링과 치수 효과 법칙(SEL)을 사용하여 비선형 균열 프로세스 영역(FPZ)의 영향을 정량화하는 것을 목적으로 한다. 선형 탄성 균열역학(LEFM)은 비가로되게 큰 FPZ 효과로 인해 균열 에너지 추정에서 150% 이상의 오차를 초래함을 입증하였으며, 특히 그래핀 강화 나노복합재에서 이중선형 공액 법칙이 더 높은 정확도를 보임을 보였다. 나노필러는 초기 공액 응답에 영향을 주지 않았다.

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.

연구 동기 및 목표

• 열경화성 폴리머 나노복합재의 비선형 균열 프로세스 영역(FPZ)이 균열 거동에 미치는 영향을 철저히 평가하는 것.
• 나노복합재의 균열 시험에서 유한하고 무시할 수 없는 FPZ 효과로 인해 선형 탄성 균열역학(LEFM)에서 벗어나는 정도를 정량화하는 것.
• 치수 효과 법칙(SEL)과 공액 영역 모델링이 기존 문헌 데이터를 재분석하는 데 있어 효과적인지 평가하는 것.
• 다양한 시편 크기와 나노필러 농도에서 선형 또는 이중선형 공액 법칙 중 어느 것이 실험적 균열 거동을 더 잘 반영하는지 결정하는 것.
• 그래핀 나노플레이트렛 수정이 공액 법칙의 초기 및 피크 이후 영역에서 공액 거동에 미치는 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• 열경화성 나노복합재의 모드 I 균열 시험 데이터를 문헌에서 취합하여 치수 효과 법칙(SEL)을 적용해 LEFM에서의 이격 정도를 평가하였다.
• FPZ 크기를 기반으로 한 특성 길이 척도를 사용하여 SEL을 적용함으로써 구조적 치수 효과와 비선형 FPZ 기여도를 식별하였다.
• 기하학적으로 스케일링된 단일단면균열 bending(SEN) 시편의 하중-변위 거동을 시뮬레이션하기 위해 선형 및 이중선형 공액 법칙을 사용한 공액 영역 모델링을 시행하였다.
• 선형 공액 법칙은 LEFM로 계산된 값과 SEL 보정된 값 모두를 사용하여 예측 정확도를 비교하였다.
• 메피드 등이 보고한 그래핀 강화 열경화성 나노복합재의 실험 데이터를 다양한 크기와 필러 농도에 대해 이중선형 공액 법칙에 맞추어 피팅하였다.
• 모델 파라미터는 예측된 피크 하중와 실험값 간 오차를 최소화하도록 校정하였으며, 오차 기준을 설정하여 모델 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 균열 프로세스 영역(FPZ) 효과가 열경화성 폴리머 나노복합재에서 선형 탄성 균열역학(LEFM)의 가정을 얼마나 심각하게 위반하는가?
• RQ2 다양한 시편 크기와 나노필러 농도를 가진 나노복합재 균열 시험에 LEFM을 적용할 경우 균열 에너지 추정 오차는 얼마나 큰가?
• RQ3 다양한 척도에서 나노복합재 균열 거동에 대해 이중선형 공액 법칙이 선형 공액 법칙보다 더 나은 데이터 적합도를 보이는가?
• RQ4 그래핀 나노플레이트렛 강화는 공액 응력-변위 응답에 특히 초기 및 피크 이후 영역에서 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 나노모디피케이션이 균열 토성에 상당한 영향을 미치는 조건은 언제이며, 언제는 무시할 수 있는가?

주요 결과

• 정규화된 강도 대 정규화된 크기의 이중로그 플롯은 치수 효과 법칙(SEL)과 뛰어난 일치를 보이며, 대부분의 나노복합재 균열 데이터가 LEFM이 부적절한 전이 범위에 있음을 확인한다.
• 비가로되게 큰 FPZ 효과로 인해 LEFM 기반의 균열 에너지 추정에서 최대 156%의 오차가 발생하며, 특히 작은 시편과 높은 나노필러 농도에서 두드러진다.
• 이중선형 공액 법칙은 모든 시험 크기와 그래핀 농도에서 예측된 구조적 강도 오차가 7% 미만으로 매우 정확한 균열 거동 기술을 제공한다.
• SEL 보정된 균열 에너지 값을 사용한 선형 공액 법칙은 합리적인 일치(오차 ≤30%)를 보이지만, 이중선형 모델보다 성능이 열 劣하다.
• 나노모디피케이션을 통해 그래핀 나노플레이트렛을 도입하더라도 공액 법칙의 초기 부분(약 ~20 µm 균열 개방까지)은 변화하지 않아, 투과 메커니즘이 더 큰 변위에서만 활성화됨을 시사한다.
• 높은 그래핀 농도에서 총 균열 에너지가 증가하는 것은 이중선형 공액 법칙의 두 번째(피크 이후) 세그먼트 기울기 변화 때문이며, 이는 더 큰 균열 개방에서 균열 휘감기 및 다리형 메커니즘을 통한 에너지 소산을 의미한다.