НАНОМЕХАНИКА И ПРОЧНОСТЬ ГЕТЕРОГЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ СРЕД Ю.Г.Яновский Учреждение Российской академии наук Институт прикладной механики РАН, г. Москва iam@ipsun.ras.ru. - презентация

1 НАНОМЕХАНИКА И ПРОЧНОСТЬ ГЕТЕРОГЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ СРЕД Ю.Г.Яновский Учреждение Российской академии наук Институт прикладной механики РАН, г. Москва

2 – научное направление, рассматривающее закономерности формирования механических и прочностных свойств материалов различной природы с учетом их атомно-молекулярного строения, наноструктуры, физико- химических свойств поверхности составляющих компонентов и их взаимодействия на масштабах менее, чем 100 нанометров. Теоретический аппарат: фрактальный анализ и мультифрактальный формализм для параметризации структуры и оценки свойств. Вычислительный аппарат: квантово-химическое, квантово-механическое, молекулярно-динамическое моделирование из первых принципов (параллельные технологии, многопроцессорные вычислительные кластеры). Экспериментальная техника: зондовая микроскопия (атомно-силовая, туннельно-сканирующая, динами- ческая силовая и др.) со специализированным программным обеспечением; зондовая наномеханика (эксперименты по наноиндентированию) МЕТОДЫ НАНОМЕХАНИКИ: НАНОМЕХАНИКА

3 РЕШАЕМЫЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ: 1. Теоретическое и экспериментальное описание особенностей формирования наноструктуры в гетерогенных композитных средах различной природы. (Под наноструктурой подразумевается тип организации элементов среды в адсорбционных комплексах и нанокластерах и характер их взаимодействия). 2. Описание общих закономерностей наномеханического и прочностного поведения и свойств нанокластеров композитных сред в связи с особенностями их атомно-молекулярной организации. Построение определяющих соотношений. Экспериментальная проверка адекватности теоретических прогнозов. 3. Оценка роли масштабного фактора (в ряду нано-, микро-, мезо-) при формиро- вании макроскопических свойств гетерогенной композитной среды. Построение определяющих соотношений наноструктура – наномеханические свойства – макропрочность.

4 Механические и прочностные свойства композитов (структурно сложных гетерогенных сред) перспективно моделировать в рамках комплексного многоуровневого иерархического подхода. ИЕРАРХИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД ОТ НАНО- ДО МАКРОУРОВНЯ 1. Ю.Г.Яновский, И.Ф.Образцов Некоторые тео- ретические и численные подходы к описанию физико-механических свойств полимерных ком- позитов (англ.) Труды Международной Конфе- ренции Современные композиты 93, ТМС-АИМЕ, Варрендейл, США, с , Ю.Г.Яновский, И.Ф.Образцов Моделирование структуры и деформационных свойств гибридных композитов (англ.) Труды 9-й Международной Конференции по композиционным материалам, изд. Университета Сарагоссы, под ред. Миравете, т.4, с , Yu.G.Yanovsky Some Numerical Approaches to Describing the Physico-Mechanical Properties of Rub- ber Composites. Proc. of the Int. Rubber'94 Conferen- ce, Moscow, v.1, pp , Ю.Г.Яновский Наномеханика и прочность композиционных материалов. М., Изд. ИПРИМ РАН, Альянстрансатом, 2008, 180 с.

5 System: fragment of polydimethylsiloxane (PDMS) polymer in a contact with bulk silica cluster SiO 2 (120), which is particle of amorphous high dispersed silica with hydroxylated and silylated surface Problem: uniaxial tension of PDMS polymer chain in a contact with silica particles with different surface termination. Mechanical characteristics Free polymer in matrix Conclusion: Force of rapture and strength of filled PDMS decreases in times depending on surface termination of silica fillers. Position of peak force of deformation is shifted to values of lower elongations of polymer chain in a contact with silica particles, which reveal strengthening PDMS in the presence of silica QM modeling of microscopical internal tension (MIC) Successive steps of PDMS chain uniaxial tension

6 System: fragments of polyethylene (PE), polybutadiene (PB) and isoprene (I) in a contact with carbon particle C170, which is particle of amorphous high dispersed carbon with H-terminated surface Problem: uniaxial tension of polyethylene, polybutadiene and isoprene chains in a contact with particle of amorphous carbon. Mechanical characteristics Polybutadiene /carbon Conclusion: region of rubber-like elasticity (entropic elongation) and also region of plastic elasticity (enthalpic elongation) is growing up in the row PE PB>, thus the growing up the elastic character of the polymer chain in the studied row was revealed. Force-strain curves Polyethylene/carbon Isoprene /carbon Successive steps of polyethylene uniaxial tension

7 Квантово-механический (КМ) подход в иерархии атомно-молекулярных методов исследования структуры и механических свойств поверхностей и межфазных слоев наноструктурированных веществ Кластерная модель Кластер углерода (200 атомов) Ускорение расчета Зона межфазного контакта Супрамолекулярны е кластерны е модели Результаты тестирования ускорения КМ расчетов при использовании параллельных технологий: Используемые программы, модели и вычислительные технологии: Оригинальный ( CLUSTER, ИПРИМ РАН) и традиционный (GAUSSIAN03) пакеты квантово- механических программ, использующих полуэмпирические (NDDO) и неэмпирические (HF и DFT) методики. Оригинальные (ИПРИМ РАН) механохимические программы DIQUAMECH Параллельные вычисления на многопроцессорном кластере ИПРИМ РАН

8 Решаемые КМ задачи · Исследование строения, энергетики и деформационных свойств компонентов и межфазных сло- ев нанокомпозитов, в том числе состоящих из полимерной матрицы и наноразмерных наполните- лей. Компьютерный подбор компонентов нанокомпозитов с прогнозируемым эффектом усиления. · Компьютерный подбор агентов, оказывающих модифицирующее воздействие на поверхность на- полнителя нанокомпозита. · Подбор из первых принципов параметров и потенциалов для твердотельных методов. Примеры КМ вычислительного моделирование для решения фундаментальных и прикладных задач Расчет колебательных спектров поверхностных активных групп кремнезема КМ моделирование процесса агрегации частиц кремнезема Схема технологии получения КМ моделирование состояния поверхности наночастиц. Модельная частица кремнезема ИК спектр: расчет и эксперимент Молекулы, наночастицы, агрегаты, агломераты Электронная микрография КМ расчет

9 ПОВЕРХНОСТЬ ЧАСТИЦ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА (МАРКИ ТУ N220) (данные атомно-силовой микроскопии)

10 ПОВЕРХНОСТЬ ЧАСТИЦ МИНЕРАЛА ШУНГИТА (после помола в наномельнице ) (данные атомно-силовой микроскопии)

11 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС NANOТEST 600 ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ НАНОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОЗИТОВ МЕТОДОМ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ (Micro Materials Ltd., Англия) Подложка для крепления нано- и микро- размерных образцов Объективы микроскопа Нано- маятник Микро- маятник Нагревательное устройство Опция для проведения динамических испытаний

12 НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ, ПОЛУЧЕННЫЕ С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА NANOTEST 600 нагрузка разгрузка Адгезия (методом смещения, трения, акустической эмиссии) при сканиро- вании в режиме с увеличением нагрузки. Изменение твёрдости и модуля Юнга в зависимости от приложеной силы и глубины индентирования. Кривая нагрузка-глубина инденти- рования как мера адгезионной прочности и разрушения. Анализ однородности поверхнос- ти. Зависимости нагрузка-глуби- на индентирования при сканиро- вании от точке к точке. Анализ прочности частиц наполнителя и их агломератов Износостойкость при многократном царапании поверхности образца в одной и той же области.

13 УНИВЕРСАЛЬНАЯ ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ РАЗРЫВНАЯ МАШИНА СЕРИИ «УТС» (UTS 10), Noske-Kaeser, Германия Клиновидные зажимы 20 кН Универсальная термо-, криокамера Блок управления термо-, крио- камерой

14 Данные прибора NanoTest 600 Данные прибора UTS Рис.1. Гистерезис при наноиндентировании для образца с ТУ N220, нагрузка 1 мН. Рис.2. Гистерезис при растяжении на разрывной машине UTS для образца с ТУ N220. Параметры эксперимента: индентирование образца проводилось в 10 точках с интервалом мкм. Нагрузка увеличивалась с постоянной скоростью 0,05 мН/с до достижения заданной максимальной нагрузки (1 мН). Разгрузка проводилась с той же скоростью, что и нагружение (индентор Берковича с углом при вершине 65,3º и радиусом закругления 200 нм). Параметры эксперимента: относительное удлинение от 0 до 30% и скорости деформирования 100 мм/мин, по ГОСТ , данные взяты на первом цикле деформации.

15 Относительный гистерезис для образцов с ТУ N220 и К-354 в экспериментах по наноиндентированию и деформации растяжения (макротест). Видна корреляция данных (относительного гистерезиса), полученных на разрывной машине и при наноиндентировании. Образец 1 - наполнитель ТУ N220, образец 2 - ТУ К-354 с функциональными группами.

16 ВЫВОДЫ: 1.Проблема создания нового поколения усиленных композиционных материалов с гиперэластическими свойствами чрезвычайно актуальна. В рамках современных технологий композиты подобного типа могут быть получены на основе высокоэластических полимерных матриц и активных нано- или микродисперсных наполнителей. Управляя свойствами компонентов композитной среды можно целенаправленно улучшать (в разы) необходимые эксплуатационные характеристики материала. 2.Анализ современного состояния исследований в данной области показывает, что прогноз компонентного состава и технологий получения усиленных композитов должен быть основан на комплексе современных вычислительных подходов (составляющих иерархическую много- масштабную последовательность от атомно-молекулярного к нано- и микроразмерному описанию), позволяющих в рамках модельного приближения, в том числе из первых принципов, получить адекватную оценку структуры и свойств подобных сред с учетом их атомно- молекулярной организации.

17 3. В последнее время отмечен существенный прогресс в построении подобных вычислительных схем и моделей в связи с появлением многопроцессорных быстродействующих кластеров, а также нового поколения экспериментальной техники с наномасштабным разрешением. 4. Мировой опыт показывает, что на сегодняшний день фундаментальное количественное описание взаимосвязи между структурой, наномеханическими свойствами и макропрочностью дисперсно- наполненных конструкционных композиционных материалов пока не завершено. 5. Авторами предложен комплексный теоретико-экспериментальный разномасштабный подход, позволяющий адекватно описывать наномеханическое поведение гиперэластичных усиленных активным дисперсным наполнителем нанокомпозитов. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности и широких прогностических возможностях предлагаемых схем. На их основе в Институте прикладной механики РАН уже имеются технологии, позволяющие целенаправленно улучшать макромеханические свойства эластомерных композитов (резин), используя новые типы активных усиливающих нано- и микроразмерных частиц наполнителей.