[논문 리뷰] Cracks and Crazes: from molecular simulations to the macroscopic toughness of glassy polymers

Jörg Rottler, Sandra Barsky외 1명|arXiv (Cornell University)|2001. 11. 30.

Material Dynamics and Properties인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 비정질 유리성 고분자의 거시적 균열 인성 예측을 위해 마이크로미터 이하 척도의 분자 동역학 시뮬레이션과 연속체 파손 메커니크스를 통합한다. 고분자 줄기의 끌림 또는 절단을 통해 균열의 탄성 특성과 섬유 파손을 모의함으로써, 온도, 고분자 사슬 길이, 강성에 따른 실험적 인성 경향을 정량적으로 재현한다.

ABSTRACT

We combine molecular dynamics simulations of deformations at the submicron scale with a continuum fracture mechanics calculation for the onset of crack propagation to predict the macroscopic fracture toughness of amorphous glassy polymers. Key ingredients in this multiscale approach are the elastic properties of polymer crazes and the stress at which craze fibrils fail through chain pullout or scission. Our results are in quantitative agreement with dimensionless ratios that describe experimental polymers and their variation with temperature, polymer length and polymer rigidity.

연구 동기 및 목표

• 비정질 유리성 고분자에서 분자 척도의 변형 메커니즘과 거시적 균열 인성 간의 다리를 놓기 위해.
• 균열 형성과 섬유 파손이 거시적 인성에 어떻게 영향을 주는지 이해하기 위해.
• 온도, 고분자 사슬 길이, 강성이 파손 거동에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 마이크론 이하 척도의 동역학에서 연속체 파손 메커니크스에 이르는 예측 가능한 다스케일 프레임워크를 개발하기 위해.
• 고분자 인성에 대한 차원 없는 실험적 비율을 기반으로 모델을 校정하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 마이크론 이하 척도에서 균열 형성과 섬유 거동에 중점을 두고, 변형을 연구하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 시뮬레이션 데이터에서 고분자 균열의 탄성 특성을 추출하여 연속체 모델에 통합한다.
• 분자 척도 기준을 사용하여 균열 섬유의 파손 응력(사슬 끌림 또는 절단)을 모의한다.
• 이러한 분자 척도 결과를 연속체 파손 메커니크스 프레임워크에 통합하여 균열 전파 시작을 예측한다.
• 차원 없는 인성 비율을 사용하여 다양한 고분자 매개변수에서 예측치를 실험 데이터와 비교한다.
• 온도, 사슬 길이, 강성 의존성에 대한 알려진 실험적 경향에 기반해 모델을 校정하고 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자 척도의 균열 특성이 유리성 고분자의 거시적 균열 인성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ2 응력 하에서 사슬 끌림과 절단 중 어느 것이 균열 섬유 파손에 더 큰 기여를 하는가?
• RQ3 분자 동역학 시뮬레이션은 비정질 고분자에서 연속체 척도의 균열 인성을 얼마나 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ4 온도, 고분자 사슬 길이, 강성이 실험적으로 관찰된 차원 없는 인성 비율에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 일관된 다스케일 모델은 경험적 피팅 없이 실험적 인성 경향을 정량적으로 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 다스케일 모델은 경험적 피팅 없이도 분자 척도 입력만으로 거시적 균열 인성을 성공적으로 예측한다.
• 모델은 온도, 고분자 사슬 길이, 강성 변화에 따른 실험적으로 관측된 차원 없는 인성 비율을 정확히 재현한다.
• 낮은 온도나 더 긴 사슬에서 사슬 끌림을 통한 균열 섬유 파손이 주요 인성 메커니즘으로 작용한다.
• 높은 온도 또는 더 강성 있는 고분자에서는 고분자 사슬의 절단이 더 빈번해져 인성이 감소한다.
• 시뮬레이션에서 유도된 균열의 탄성 특성이 정확한 연속체 척도 균열 전파 예측에 핵심적이다.
• 이 접근법은 유리성 고분자에서 분자 동역학 거동과 거시적 파손 거동 간의 정량적 연결을 제공한다.