[论文解读] Study of the Fracturing Behavior of Thermoset Polymer Nanocomposites via Cohesive Zone Modeling

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

Mechanical Behavior of CompositesEngineering参考文献 38被引用 16

一句话总结

本研究采用界面区模型与尺寸效应定律（SEL），量化非线性断裂过程区（FPZ）对热固性聚合物纳米复合材料断裂行为的影响。结果表明，由于不可忽略的FPZ效应，线弹性断裂力学（LEFM）在断裂能估算中误差超过150%；同时发现，双线性界面本构律在预测断裂行为方面优于线性本构律，尤其在石墨烯增强纳米复合材料中表现更优，而纳米填料对界面初始响应无影响。

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.

研究动机与目标

• 批判性评估非线性断裂过程区（FPZ）对热固性聚合物纳米复合材料断裂行为的影响。
• 量化由于有限且不可忽略的FPZ效应导致的纳米复合材料断裂试验中线弹性断裂力学（LEFM）的偏离程度。
• 评估尺寸效应定律（SEL）与界面区建模在重新分析现有纳米复合材料断裂文献数据方面的有效性。
• 确定线性或双线性界面本构律在不同试样尺寸与纳米填料含量下，更优地捕捉实验断裂响应。
• 研究石墨烯纳米片改性对界面行为的影响，尤其在界面本构律的初始与后峰值区域。

提出的方法

• 从文献中收集并分析了大量关于热固性纳米复合材料模式I断裂试验的数据，利用尺寸效应定律（SEL）评估其与LEFM的偏离程度。
• 采用基于FPZ尺寸的特征长度尺度应用SEL，以识别结构尺寸效应与非线性FPZ的贡献。
• 采用线性和双线性界面本构律进行界面区建模，模拟几何缩放的单边 notched 弯曲（SENB）试样的荷载-位移响应。
• 测试线性界面本构律时，分别采用LEFM计算的和SEL校正的断裂能值，以比较预测精度。
• 基于Mefford等人关于石墨烯增强热固性纳米复合材料的实验数据，对多尺寸与填料含量下的双线性界面本构律进行拟合。
• 通过最小化预测峰值荷载与实验值之间的误差，标定模型参数，并采用误差阈值评估模型性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在热固性聚合物纳米复合材料中，非线性断裂过程区（FPZ）效应在多大程度上使线弹性断裂力学（LEFM）的假设失效？
• RQ2 当在不同试样尺寸与纳米填料含量下应用LEFM于纳米复合材料断裂试验时，断裂能估算的误差有多大？
• RQ3 在不同尺度下，双线性界面本构律是否比线性界面本构律更优地拟合纳米复合材料的断裂行为实验数据？
• RQ4 石墨烯纳米片增强如何影响界面应力-位移响应，尤其在界面本构律的初始与后峰值区域？
• RQ5 在何种条件下纳米改性显著改变断裂韧性，而在何种条件下可视为可忽略？

主要发现

• 归一化强度与归一化尺寸的双对数图与尺寸效应定律（SEL）高度一致，证实大多数纳米复合材料断裂数据处于LEFM不适用的过渡范围。
• 由于不可忽略的FPZ效应，基于LEFM的断裂能估算误差最高可达156%，尤其在小尺寸试样与高纳米填料含量下更为显著。
• 双线性界面本构律能高度准确地描述断裂行为，所有测试尺寸与石墨烯含量下的预测结构强度误差均低于7%。
• 采用SEL校正断裂能的线性界面本构律可获得合理一致的结果（误差≤30%），但其性能仍逊于双线性模型。
• 通过石墨烯纳米片改性并未改变界面本构律的初始阶段（裂纹张开位移≤~20 µm），表明增韧机制仅在较大位移时起作用。
• 随着石墨烯含量增加，总断裂能的提升完全归因于双线性界面本构律第二（后峰值）段斜率的变化，表明能量耗散机制（如裂纹偏转与桥接）在较大裂纹张开时起主导作用。