第五章 結論
附錄 7 等效介面層模型程式
clear all
%---
% Gm: matrix shear modulus
% Em: matrix young modulus
% vm: matrix ratio
% Gp: particle shear modulus
% Ep: particle young modulus
% vp: interface possion ratio
% Gi: interface shear modulus
% Ei: interface young modulus
% vi: interface possion ratio
%--- Gm=1.332;
Em=3.678;
vm=(Em/(2*Gm))-1;
Gp=37.95;
Ep=83.93;
vp=Ep/(2*Gp)-1;
v=vm;
Ei=7.1455;
vi=0.3;
Gi=Ei/(2*(1+vi));
%---
% c1: volume fraction of particle
% c2: volume fraction of interface
% c3: volume fraction of matrix
%--- c1=0.0454
c2=0.1147 c3=0.8399
% Se: Eshelby tensor
Cm=[cm11,cm12,cm13,0,0,0 cm21,cm22,cm23,0,0,0 cm31,cm32,cm33,0,0,0 0,0,0,cm44,0,0
0,0,0,0,cm55,0 0,0,0,0,0,cm66];
%---
%---particle [C]---
cp11=Ep./(1+vp).*(1-vp)./(1-2*vp);
cp12=Ep./(1+vp).*vp./(1-2*vp);
cp44=Gp;
cp22=cp11;
cp33=cp11;
cp21=cp12;
cp13=cp12;
cp31=cp12;
cp23=cp12;
cp32=cp12;
cp55=cp44;
cp66=cp44;
Cp=[cp11,cp12,cp13,0,0,0 cp21,cp22,cp23,0,0,0 cp31,cp32,cp33,0,0,0 0,0,0,cp44,0,0
0,0,0,0,cp55,0 0,0,0,0,0,cp66];
%---
%---interface [C]--- ci11=Ei/(1+vi)*(1-vi)/(1-2*vi);
ci12=Ei/(1+vi)*vi/(1-2*vi);
ci44=Gi;
ci22=ci11;
ci21=ci12;
ci13=ci12;
ci31=ci12;
ci23=ci12;
ci32=ci12;
ci55=ci44;
ci66=ci44;
Ci=[ci11,ci12,ci13,0,0,0 ci21,ci22,ci23,0,0,0 ci31,ci32,ci33,0,0,0 0,0,0,ci44,0,0 0,0,0,0,ci55,0 0,0,0,0,0,ci66];
%---
%----effective [C]--- I=eye(6);
Tp=I-Se*inv(Se+inv(Cp-Cm)*Cm);
Tpi=I-Se*(c1/(c1+c2)*inv(Se+inv(Cp-Cm)*Cm)+c2/(c2+c1)*inv((Se+inv(Ci-Cm)*C m)));
Ceff=Cm+((c1+c2)*(Ci-Cm)*Tpi+c1*(Cp-Ci)*Tp)*inv(c3*I+(c1+c2)*Tpi);
D=inv(Ceff);
elastic=1/(D(1,1));
表
1-1 A
與B
材料的機械性質Material A B
Young’s modulus (GPa) 3 70
Possion’s ratio 0.3 0.3
表
1-2
比較藉由有限單元法分析代表性之體積元素模型的楊氏模數RVE 1 RVE 2
Young’s modulus (GPa) 4.56GPa 4.56GPa
表
2-1
聚亞醯胺以及PI-SiO
B2B奈米複材進行分子動力學模擬前的特性PI PI-SiOB2B
No. of unit in polymer chain 10 10 No. of chain in polymer model 7 7
No, of SiOB2B - 1
Radius of particle (Å) - 9.79
Initial density of composite (g/cc) 1.33 1.433
Forcefield Compass Compass
Constructional Temperature (K) 650 650 Initial density of matrix (g/cc) 1.33 1.324
Cubic length (Å) 36.37 37.39
表
2-2
分子動力學模擬過程Process 1 2 3
Method NVT NPT NPT
Forcefield Compass Compass Compass
Target Temperature (K) 1500 300 1
Time step (fs) 0.5 0.5 0.5
Number of steps 40000 30000 40000
Dynamic time (ps) 20 15 20
Target pressure (GPa) - 0 0
表
2-3
聚亞醯胺以及PI-SiO
B2B奈米複材進行MD
模擬後的特性PI PI-SiO2
Radius of particle (Å) - 8.5034
Non-bond gap (Å) - 4.3758
Volume (ÅP3P) 48827.6 54796.1
Density (g/cc) 1.31 1.34
Volume fraction (%) - 4.7
表
2-4 PI-SiO
B2B奈米複材介面層的非鍵結能量PI-SiOB2B
Energy(Kcal/mole) -205.471229
Energy per unit area(J/mP2P) -1.6116
Non-bond gap(Å) 4.3758
表
4-1
各種材料以及介面層之楊氏模數以及剪力模數SiOB2B Polyimide Interface
Young’s modulus (GPa) 83.9 3.678 7.2004 Shear modulus (GPa) 37.95 1.332 2.7694
表
4-2
藉由不同方法所得PI-SiO
B2B奈米複材的楊氏模數MD simulation
Mori-Tanaka method
FEM with two phase
Effective interface model
FEM with three phase
Young’s modulus (GPa)
4.23 4.02 4.01 4.362 4.361
表
4-3
不同的非鍵結間距對楊氏模數造成的影響Non-bond gap (Å) Interface modulus(GPa) Model prediction (GPa)
6.5813 4.7637 4.2627 4.3875 7.2004 4.364 2.19375 14.2911 4.257 1.096875 28.5822 4.1581
表
4-4
各種模擬方法與楊氏模數的比較Force field model Interface modulus(GPa) Model prediction (GPa)
15
表
4-5
比較不同粒徑的二氧化矽奈米粉體PI-SiO2 (Large) PI-SiO2 (Small)
Particle radius (Å) 8.5034 6.5564
Non-bond gap (Å) 4.3758 4.163
Normalized non-bond energy (J/m2) -1.5754 -2.1846
Volume fraction (%) 4.47 3.87
Young’s modulus of interface (GPa) 7.2004 10.4945
Young’s modulus (GPa) (MD simulation) 4.237 4.52
Young’s modulus (GPa) (Effective
interface model) 4.352 4.5224
表
4-6 PE
單位原子結構模型的分子鏈性質[13]
PE-I PE-II PE-III
No. of Chains in
PE 1 4 7
No. of unit in chain 493 538 527
Molecular Weight
(g/mole) 6915 7546 7392
表
4-7 PE-Bucky Ball
奈米複材的幾何以及機械性質[13]
C60-PE C180-PE C320-PE
Particle diameter (Å) 7 12 17
Cubic length (Å) 24.49 36.43 45.6
Non-bond Gap(Å) 3.394 3.436 3.478
Volume fraction 1.22% 1.87% 2.71%
UVDW(kcal/mole) -74.9 -169.5 -274
Normalized
UBnon-bondB(kcal/mole-atom) -1.2483 -0.9416 -0.8562
Young’s modulus (GPa) (MD
simulation) 2.87 2.4422 2.183
表4-8 PE 及巴克球的機械性質[12][33]
PE[12] Bucky-ball[33]
Young’s modulus(GPa) 1.79 12.7
Shear modulus(GPa) 0.65 4.7
表4-9 藉由各種方法模擬奈米複材的楊氏模數
C60-PE C180-PE C320-PE
Volume fraction 1.22% 1.87% 2.71%
MD simulation (GPa) 2.87 2.4422 2.183
Effective interface model
(GPa) 2.1124 2.0233 2.0221
表4-10 比較不同的 PI 分子鏈長度
PI-1 PI-2 PI-3 PI-4 No. of unit in
PI chain 5 10 12 35
No. of chain in
PI model 14 7 10 2
Density (g/cc) 1.33 1.31 1.31 1.31
Young’s modulus (GPa)
3.043 3.67 3.95 4.53
P
A
B
P
A
P P
B
RVE 1 RVE 2
圖1-1 考慮不同顆粒大小但體積比相同的代表性之體積元素模型(representative volume elements ,RVE) ,體積比為19.6%
圖1-2 複合材料之介面層現象[17]
圖2-1 聚亞醯胺分子結構式
圖2-2 利用 MS 軟體所建立的聚亞醯胺分子結構式
(a)
(b)
(c)
圖2-3 分子結構模型 (a) 二氧化矽奈米粉體 (b) 聚亞醯胺單位原子結構模型 (c) PI-SiOB2B奈米複材結構模型
A
Radius
D e n s it y( g /cc)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 2 4
PI-center PI-P PI-Q PI-R
1.31 g/cc
圖2-6 聚亞醯胺單位原子結構模型之密度分佈
Radius
D e n s it y( g /cc)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2
PI
1.31 g/cc
圖2-7 聚亞醯胺單位原子結構模型之平均密度分佈
(Å)
(Å)
Radius
D e n s it y( g /cc)
8 10 12 14 16 18
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
1.8 PI
SiO2 1.31g/cc
圖2-8 PI-SiOB2B奈米複材結構模型密度分佈示意圖
Radius
P I- P I R a di a l D is tr ib ut io n F unc ti on g( r)
0 2 4 6 8 10 12
0 1 2 3 4 5 6
PI PI-SiO2
(Å)
(Å)
(a)
(b)
圖2-10 二氧化矽晶格模型 (a)單位晶格 (b)分析的晶格模型
φ
(a) z
y
(b)
y z
x
φ θ
2-11 非鍵結間距示意圖 (a) 平面圖 (b) 計算間距示意圖
Degree
Non-bond gap: 4.3959 Å8.32531Å Non-bond gap:4.37191Å
(Å)
Degree
R a di us
-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PI SiO2
圖 2-14 繞 x 軸旋轉之非鍵結間距
(a) (b)
εT (x)
εC
(c)
Cm
基材 內含物
圖3-1 Eshelby’s 內含物問題( Eshelby’s inclusion problem) (a).無施加應力的基材 13.0554Å
8.6959Å Non-bond gap: 4.3595 Å
(Å)
ε
AC
mC
fσ
f(a) 非均質內含物 (b) 均質內含物
ε
T圖3-2 Eshelby’s 等值內含物問題(Eshelby’s equivalent inclusion problem)
圖3-3 施加εA之非均質值內含物的應力及應變關係示意圖 C
A
f
ε ε
ε = +
(
A C)
f
f
C ε ε
σ = +
ε
A圖3-4 施加εA之均質值內含物的應力及應變關係示意圖
圖3-5 施加εA以及εC之均質值內含物的應力及應變關係示意圖
ε
AC A
f
ε
ε = + ε
ε
C(
A C T)
m
f
= C ε + ε − ε σ
ε
AA
f
ε
ε =
A m
f C
σ = ε
ε
1ε
0m
1
~
ε + ε
f m
1
~ ~
ε + ε + ε
圖3-6 有限長的基材添加內含物的問題
ε
1ε
Tε
1圖3-7 在有限長的複合材料的等值內含物問題
Ω
圖3-8 等值雙層內含物(equivalent double inclusion)
Ω
Ω
Ω
圖3-12 等值雙層內含物問題(equivalent double inclusion problem) (a) 非均質之 雙層內含物 (b) 均質之雙層內含物
Ω Γ
CΩ
CΓ Cm
Μ
ε
1Ω Γ
Cm
Μ
ε
1 ε1T(x) εT2圖3-14 在有限長的複合材料的等值雙層內含物問題
圖3-15 軸對稱 RVE 模型模擬奈米複材示意圖 (a) 六角形奈米複材模型 (b)考慮 RVE 之六角形奈米複材模型 (c)軸對稱 RVE 模型
VBA
P
P P
P
RB0B
VBB
P
P
(a) (b) (c)
2RB0B
P
P x
y
P
P
2R0
R0
圖3-16 不考慮介面層之軸對稱 RVE 模型 (a) 軸對稱 RVE 模型 (b) 有限單元法 模擬之軸對稱RVE 模型
P
P
2R0
R0 x
y
P
P
圖3-17 考慮介面層之軸對稱 RVE 模型 (a) 軸對稱 RVE 模型 (b) 有限單元法
(a) (b)
(a) (b)
圖4.1 模擬介面層示意圖
圖4.2 單軸受力之構件
F
L
E A
VDW gap Matrix
Particle Spring
Equivalent inclusion material
F
Particulate radius
圖4-5 繞 z 軸旋轉之非鍵結間距 Non-bond gap: 4.1053Å
10.7723Å Non-bond gap: 4.1673Å
6.605Å
(Å)
(Å)
Degree
R a di us
-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180
2 4 6 8 10 12 14 16
PI SiO2
圖4-7 繞 x 軸旋轉之非鍵結間距
No. of unit in the polymer chain
Y o ung' s m odul us (G P a )
0 10 20 30 40
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
PI
4-8 聚亞醯胺單位原子結構模型之楊氏模數 10.8215Å Non-bond gap: 4.2166Å
6.6098Å