[논문 리뷰] Multiscale modeling of microscale fiber reinforced composites with nano-engineered interphases

S. I. Kundalwalal, S. Kumar외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 17.

Composite Material Mechanics참고 문헌 56인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 축방향으로 정렬된 탄소 나노튜브(A-CNTs)가 마이크로스케일 섬유 주위에 산재한 나노공학적 인터페이스를 갖춘 섬유 보강 복합재에서의 응력 전달을 조사하기 위해 다스케일 수치 모델을 개발한다. 분자역학 및 미세역학적 뽑기 모델링을 스프링층 인터페이스 모델과 결합함으로써, 축방향 정렬이 인터페이스 응력 전달을 크게 향상시키며, 인터페이스 강도 저하가 섬유를 따라 방사형 응력 분포를 감소시킨다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

This study is focused on the mechanical properties and stress transfer behavior of multiscale composites containing nano- and micro-scale reinforcements. The distinctive feature of construction of this composite is such that the carbon nanostructures (CNS) are dispersed in the matrix around the continuous microscale fiber to modify microfiber-matrix interfacial adhesion. Such CNS are considered to be made of aligned CNTs (A-CNTs). Accordingly, multiscale models are developed for such hybrid composites. First, molecular dynamics simulations in conjunction with the Mori-Tanaka method are used to determine the effective elastic properties of nano-engineered interphase layer composed of CNS and epoxy. Subsequently, a micromechanical pull-out model for a continuous fiber multi-scale composite is developed, and stress transfer behavior is studied for different orientations of CNS considering their perfect and imperfect interfacial bonding conditions with the surrounding epoxy. Such interface condition was modeled using the linear spring layer model with a continuous traction but a displacement jump. The current pull-out model accounts for the radial as well as the axial deformations of different orthotropic constituent phases of the multiscale composite. The results from the developed pull-out model are compared with those of the finite element analyses and are found to be in good agreement. Our results reveal that the stress transfer characteristics of the multiscale composite are significantly improved by controlling the CNT morphology around the fiber, particularly, when they are aligned along the axial direction of the microscale fiber. The results also show that the CNS-epoxy interface weakening significantly influences the radial stress along the length of the microscale fiber.

연구 동기 및 목표

• 축방향으로 정렬된 CNT와 에폭시로 구성된 나노공학적 인터페이스를 갖춘 다스케일 복합재의 기계적 거동을 조사하기 위해.
• CNT 형상과 인터페이스 결합 조건이 하이브리드 마이크로 및 나노보강 복합재에서 응력 전달에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 복합재의 정합성 있는 상에서 축방향 및 반경방향 변형을 고려한 미세역학적 뽑기 모델을 개발하기 위해.
• 유한요소 해석 결과와의 비교를 통해 인터페이스 응력 분포 예측 정확도를 확보하기 위해.

제안 방법

• CNT-에폭시 인터페이스의 효과적 탄성 특성을 결정하기 위해 분자역학 시뮬레이션과 Mori-Tanaka 균질화 방법을 결합한 방법.
• 다스케일 보강을 갖춘 연속 섬유 복합재를 위한 미세역학적 뽑기 모델 개발.
• 변위 점프와 연속적인 응력 전달을 표현하기 위해 선형 스프링층 모델을 사용한 인터페이스 거동 모의.
• 마이크로섬유, CNT 및 매트릭스를 포함한 정합성 상의 반경방향 및 축방향 변형을 고려한 모델링.
• 스프링 강성 계수를 활용해 CNT와 에폭시 사이의 완전하고 불완전한 인터페이스 결합 조건을 모의.
• 정확한 응력 전달 예측을 확보하기 위해 분석적 뽑기 모델을 유한요소 시뮬레이션과 비교 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로섬유 주위에 정렬된 CNT의 정렬 방식이 다스케일 복합재에서 인터페이스 응력 전달에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 CNT와 에폭시 사이의 인터페이스 결합 품질이 섬유 길이에 따라 반경방향 응력 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 정합성 상의 반경방향 및 축방향 변형이 전체 응력 전달 메커니즘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 나노공학적 인터페이스가 마이크로스케일 섬유 보강 복합재의 기계적 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 제안된 분석적 뽑기 모델이 유한요소 해석에 비해 응력 전달 예측 능력이 얼마나 뛰어난가?

주요 결과

• 마이크로섬유 주위에 축방향 정렬된 CNT는 복합재에서 응력 전달 효율을 뚜렷이 향상시킨다.
• 나노공학적 인터페이스가 인터페이스 응력 전달을 향상시키며, 특히 CNT가 섬유 축에 따라 정렬된 경우에 그 효과가 두드러진다.
• CNT-에폭시 인터페이스가 약해질수록 섬유 길이에 따라 반경방향 응력 분포가著명하게 감소한다.
• 개발된 미세역학적 뽑기 모델은 유한요소 해석 결과와 양호한 일치를 보인다.
• 모델은 다스케일 복합재의 정합성 상에서의 결합된 반경방향 및 축방향 변형 거동을 성공적으로 캡처한다.
• Mori-Tanaka 방법은 CNT-에폭시 인터페이스 층의 효과적 탄성 특성을 정확히 예측한다.