[논문 리뷰] Thermal Conductivities and Mechanical Properties of Epoxy Resin as a Function of the Degree of Cross-linking

Xiao Wan, Barış Demir외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 06.

Thermal properties of materials참고 문헌 54인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 에폭시 수지(Bisphenol F와 Diethyl Toluene Diamine)에서 교차결합 밀도가 열전도도 및 기계적 성질에 미치는 영향을 분석하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 사용한다. 결과로 교차결합을 증가시키면 탄성율과 열전도도가 모두 향상되며, 이는 유착력 기여가 열류 전달에 핵심적인 역할을 함을 시사한다. 이는 맞춤형 에폭시 수지의 분자 수준 설계 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Epoxy resins are widely used polymer matrices for numerous applications. Despite substantial advances, the molecular-level knowledge-base required to exploit these materials to their full potential remains limited. A deeper comprehension of structure/property relationships in epoxy resins at the molecular level is critical to progressing these efforts. It can be laborious, if not impractical, to elucidate these relationships based on experiments alone. Here, molecular dynamics simulations are used to calculate and compare thermal conductivities and mechanical properties of an exemplar epoxy resin, Bisphenol F cross-linked with Diethyl Toluene Diamine, revealing these inter-relationships. Both elastic modulus and thermal transport of the epoxy resin show an increase with greater cross-linking. Specifically, decomposition of the thermal conductivity into different force contributions suggests that the bonded term contributes to an increase in the heat flux. These outcomes provide a foundation for designing and fabricating customized epoxy resins with desirable thermal and mechanical attributes.

연구 동기 및 목표

• 에폭시 수지의 분자 수준에서의 구조-성질 상관관계를 수립하기 위해.
• 최적의 재료 설계를 저해하는 제한된 분자 척도 이해를 해결하기 위해.
• 교차결합 밀도가 열 및 기계적 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 교차결합된 에폭시에서 열 전달 및 경도를 규명하는 원자 수준 메커니즘을 규명하기 위해.
• 맞춤형 열 및 기계적 특성을 지닌 에폭시 수지를 공 ing하기 위한 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• Bisphenol F와 Diethyl Toluene Diamine를 기반으로 한 에폭시 수지 시스템을 모델링하기 위해 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 활용한다.
• 다양한 네트워크 밀도를 시뮬레이션하기 위해 교차결합 정도를 체계적으로 변화시킨다.
• 녹-쿠보 공식을 사용하여 열전도도를 계산하고, 다양한 힘 항목의 기여도를 분해한다.
• 변형 하중 조건에서의 응력-변형률 거동을 분석하여 탄성율 등의 기계적 성질을 평가한다.
• 열전도도에 대한 유착, 비유착 및 총 힘 항목의 기여도를 분석한다.
• 교차결합 수준 간의 결과를 비교하여 열 및 기계적 거동의 추세를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 교차결합 밀도를 높일수록 에폭시 수지의 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다른 원자 간 상호작용 기여도(유착 대비 비유착)가 열 전도에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 교차결합은 에폭시 네트워크의 탄성율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관찰된 열 및 기계적 성질 변화의 배경이 되는 분자 수준 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 예측적 설계를 위해 교차결합과 성능 향상 간의 관계를 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 에폭시 수지의 열전도도는 교차결합 정도가 높아질수록 증가한다.
• 열전도도에 대한 유착 힘 기여는 크며, 교차결합 밀도가 증가함에 따라 증가한다.
• 탄성율은 교차결합 정도가 증가함에 따라 일관되게 상승하여 경도 향상이 확인된다.
• 열전도도 분해 분석 결과, 유착 상호작용이 열류 전달에 핵심적인 역할을 한다.
• 시뮬레이션 결과는 교차결합 밀도와 열 및 기계적 성능 향상 사이에 명확한 양의 상관관계가 있음을 입증한다.
• 이러한 발견들은 맞춤형 열 및 기계적 특성을 지닌 에폭시 수지 설계를 위한 분자 수준의 근거를 제공한다.