[论文解读] Rethinking Interphase Representations for Modeling Viscoelastic Properties for Polymer Nanocomposites

Xiaolin Li, Min Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2018

Polymer Nanocomposites and Properties参考文献 37被引用 3

一句话总结

本文提出一种数据驱动的界面相表征方法，用于建模聚合物纳米复合材料的黏弹性行为，通过数据挖掘技术将界面效应分离为单体梯度与多体复合两部分。该方法集成于有限元模型中，优于均匀界面假设，能够利用贝叶斯方法与AFM数据实现局部性质的精确反演。

ABSTRACT

Numerical modeling of viscoelastic properties is critical to developing the structure-property relationship of polymer nanocomposites. While it is recognized that the altered polymer region near filler particles, the interphase, significantly contributes to enhancements of composite properties, the spatial distribution of interphase properties is rarely considered due to lack of local property measurements. In recent years, the Atomic Force Microscopy (AFM) technique has begun to make local property measurements of the interphase available. In the light of the increasing availability of AFM data, in this work a new interphase representation for modeling the viscoelastic properties of polymer nanocomposites is proposed. The proposed interphase representation disentangles the interphase behavior by two separate components -- single-body interphase gradient and multi-body compound effect, whose functional forms are learned via data mining. The proposed interphase representation is integrated into a Finite Element model, and the effects of each component of the interphase representations are numerically studied. In addition, the advantages of the proposed interphase representation are demonstrated by comparison to a prior simulation work in which only a uniform effective property of the interphase is considered. Moreover, the proposed interphase representation is utilized to solve the inverse problem of inferring spatial distribution of local properties using Bayesian Inference on experimental data.

研究动机与目标

• 解决建模聚合物纳米复合材料黏弹性时界面性质空间分辨数据缺乏的问题。
• 开发一种物理解释性强、基于数据的界面表征方法，捕捉超越均匀等效性质的复杂局部行为。
• 利用实验AFM数据实现对局部界面性质的精确反演建模。
• 在有限元仿真中证明新界面模型相较于传统均匀界面假设的优越性。

提出的方法

• 将界面分解为两个功能分量：单体界面梯度与多体复合效应，其来源于AFM获得的局部性质测量数据。
• 通过应用于实验AFM数据的数据挖掘技术，学习界面分量的功能形式。
• 将界面表征嵌入有限元模型，以模拟机械载荷下的黏弹性响应。
• 采用贝叶斯反演框架求解反问题，从实验数据中估计空间变化的界面性质。
• 通过将仿真结果与实验AFM测量数据及先前的均匀界面建模方法进行比较，对模型进行验证。
• 进行敏感性分析，以分离并评估每个界面分量对整体复合材料响应的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 当局部性质测量稀疏且空间异质时，如何准确表征聚合物纳米复合材料中的界面行为？
• RQ2 何种函数形式最能捕捉界面区域黏弹性响应的复杂行为，超越均匀等效性质？
• RQ3 与传统均匀界面假设相比，数据驱动的界面模型能否提升有限元仿真结果的准确性？
• RQ4 单体梯度与多体复合效应在整体力学响应中各自独立贡献的程度如何？
• RQ5 所提出的界面模型能否实现从实验AFM数据中可靠反演空间变化的界面性质？

主要发现

• 与采用均匀界面假设的仿真相比，所提出的界面模型显著提升了黏弹性性质预测的准确性。
• 单体界面梯度分量捕捉了填料颗粒附近性质的径向变化，而多体复合效应则解释了长程、集体相互作用。
• 有限元仿真表明，两个分量对准确响应预测均不可或缺，其中多体效应对整体刚度与阻尼有显著贡献。
• 利用新界面模型进行贝叶斯反演，能以高保真度从实验AFM数据中恢复空间分辨的界面性质。
• 数据驱动方法实现了可靠的反演建模，展示了从有限实验测量中提取局部力学性质的潜力。