ניתוח ההתנהגות המכנית של מיקרו מבנים פולימר תחת עומס דינמי

הבנת ההתנהגות המכנית של מיקרו-מבני פולימרים תחת עומס דינמי היא אתגר בסיסי במדעי החומרים, עם השלכות ישירות על תעשיות כגון אווירול, רכב, הנדסה ביו-רפואית, ואלקטרוניקה צרכנית אלה - החל סיבים ננוקליים לסרטים מיקרו-תיק - תשובות מורכבות כאשר נתון לכוחות משתנים במהירות, התנהגויות שונות במידה ניכרת ממקביליהם הסטטיים.

יסודות של מיקרו-מבנה פולימר

מיקרו מבנים פולימר הם תכונות בקנה מידה קטן בתוך חומר פולימרי המשפיע באופן ביקורתי על המאפיינים מכניים הגדולים שלה. הם יכולים להתעורר מן המורפולוגיה הפנימית של פולימר (למשל, גבישי או דומיין amorphous) או להיות מונדסים במכוון לתוך סיבים, חלקיקים, וסרטים דקים.הגבהים המעורבים - באופן חד-פעמי מעשרות ננומטרים למאות של מיקרונים - כיצד מגיבים כוחות מכניקה חיצונית או חומרים אלה.

סוגים נפוצים של מיקרו-מבנה פולימר

• (FLT:0)Fibers:FLT:1 מבנים גבוהים-aspect-ratio המשמשים בתרכובות, טקסטיל, ו פיגומים ביו-רפואיים שלהם תחת עומס דינמי כרוך פיזור גל רבילי וסיבים-מריצה דה מבולגן.
• (FLT:0) חלקיקים: FLT 1 , Spherical או כלות לא סדירות אשר מחזקים או מקנים פונקציונליות מסוימת (למשל, חלקיקי גומי לנוקשות) תחת השפעה, ריצוף חלקיקים או מחיקה יכולים לספוג אנרגיה אבל גם ליזום סדקים.
• (FLT:0) סרטיThin:EsverFLT:1 מבנים מעוקלים בציפויים, אלקטרוניקה גמישה ואריזות.התנהגותם הדינמית נשלטת על ידי אינטראקציות תת-קרקעיות, דבקות בין-גזעית, ותשואות תלותיות עובי.
• (FLT:0)Foams:FLT:1 מבנים סלולריים עם פורוזיות מבוקרת, בשימוש נרחב ב cushioning ו- Crash mitigation. דחיסה דינמי של תאי קצף כרוכה במגירה, גישור, וקשחת מתח.

משטרים של מטען דינמי

טעינה דינמית אינה מצב אחד אלא ספקטרום של גירויים מכניים השוונים בגודל, משך וקצב היישום.הבנת משטרים אלה חיונית לבחירת שיטות בדיקה מתאימות ופירוש תגובות מיקרו-תרבותיות.

השפעה

אירועים המשפיעים, כגון כלי נופל להכות כדור פלסטיק או לוח מורכב, להטיל שיעורי מתח גבוהים מאוד 102 עד 104 s-1) על מיקרו שניות כדי מילימטרים.מיקרואורגניזמים פולימרים חייבים להתאים תנודה מהירה אנרגיה באמצעות חימום diabatic, לחות מולקולי, וזרימה פלסטיק לעתים קרובות יוזמים פגמים או מתח בתוך המיקרו-מרכזים בתוך המיקרו.

גילוח ושומן

טעינה Cyclic בתדרים מ 1 הרץ למספר kHz (למשל, במנועי רכב או לוחות אוויר) גורמת לעיוות מיקרו-מבנה חוזר. פולימרים יכולים להציג נזק מתקדם בשל פירוק שרשרת, גילוח וצמיחה מיקרו-קrack, אפילו בעומס מתחת ללחץ התשואה סטטי.

הלם

גלי הלם - שנוצרו על ידי פיצוצים, מהירות גבוהה מאצ'ינג, או לייזרים הדופק - ליצור מצבי לחץ קיצוני כי לנסוע דרך החומר במהירויות סופרוזיות.המיקרו-מבנה מגיב באמצעות משוואות של מצב כי שני לחץ, טמפרטורה וקצב זנים. Void קריסת Void, התכה, ונפיחות יכול להתרחש במיקרו-מידה.

שקיפות גבוהה אוקסיליה

ב-Colle Welding, levitation אקוסטי, או ממריצים גבוהים, פולימרים חווים זנים אווסצילטורי בתדרים מעבר 10 kHz. התגובה המיקרו-מבנה נשלטת על ידי תהליכי הרפיה מולקולריים, המוביל להתחממות פנימית ורכך.משטר זה קריטי לעיבוד ולמכשירים כמו חיישנים אדזואלקטריים מוטבעים בפולימרים.

תגובה מכנית של מכניזם תחת עומס דינמי

התגובה הדינמית של מיקרו-מבנה פולימר עולה משילוב של מולקולנטיות פנימית, הפלסטיות תלויות בקצב, ופגיעה באבולוציה.כל מנגנון פועל על קשקשים שונים של זמן ומתקשר עם הגיאומטריה המיקרו-מבנה.

פיזור אנרגיה ואנרגיה

פולימרים הם חומרים מרשימים קלאסיים: הם מציגים את שני מולקווס (זמן עצמאי) ואת אלסטי (instantaneous) התנהגות (intaneous) תחת טעינה דינמית, את המודולולים המורכבים - מתפעלים אחסון (אלסטי) ואובדן משתנים (viscous) - מעל כמה אנרגיה מאוחסנת ומבוטלת.

פירוק אנרגיה דרך לחות מולקולסטי הוא פרמטר עיצוב מפתח עבור שליטה רטט.גורם אובדן (tan ⁇ ) שיא באזור המעבר זכוכית, ותכונות מיקרו-מבנה כגון גבישיות, צפיפות חוצה קישורים, ותוכן מלא יכול לכוון שיא זה לתאריכים ספציפיים.

עיוות פלסטי ודירוג Sרגישות

היחלשות בפולימרים היא מאוד בריחת משמעת תלוית.בשיעורים נמוכים, העיוות מתקדם באמצעות החלקלקת שרשרת ומבנה להקה של Shear; בשיעורים גבוהים, החומר עשוי להציג להקות Shear מרובות או שבר פתאומי.מודל Eyring משמש לעתים קרובות כדי לתאר את הלחץ הנדרש כדי להתגבר על מחסומים תרמיים לתנועה פי פלח, החיזוי כי עלייה בערך ליניארית עם גלם של תכונות מכווניות או מטבוליות מקומיות.

Shear Banding ו-אדיבטי Heating

במיקרו-סול, חימום אידיטלקטי בשל עבודה פלסטית מהירה יכול לרכך את הפולימרים המקומי, מה שגורם ללהקות הרהר אינטנסיביות.תופעה זו חשובה במיוחד בהטעינה דינמית, משום שהיא יכולה להוביל לכישלון מוקדם אפילו בפולימרים דוקטריליים.הרוח וספיגה של להקות Shear מושפעים על ידי המיקרו-מבנה הראשוני וההתנהגות התרמית של החומר.

אינציוד מיקרו-קר ותעמולה

היווצרות קרק תחת עומס דינמי מורכב יותר מאשר בתנאים סטטיים. Nucleation יכול להתרחש פגמים טרום-existing (חללים, הכללות, שריטות פני השטח) או הפסקות מיקרו-תרבותיות שנוצרו לאחרונה כגון זעזועים. Crazes הם תכונות קרקרים דמויי סדק מגשר על ידי משככי כאבים מוכווני שיכול לשאת עומס ופירוק אנרגיה.

דמים ופיצול פנימי

חיכוך פנימי בתוך ממטריקס פולימר עולה מתנועות פלח, סיבובים קבוצתיים, ואינטראקציות מלא-מטריקס. מנגנונים אלה להמיר אנרגיה מכנית לתוך חום.תחת עומס דינמי מחזורי, יכולת לחות (לעתים קרובות באה לידי ביטוי כמו Modulus או tan ⁇ ) קובע את היכולת של החומר להפחית את הרטט של שינוי מיקרו-מבנה - כגון הוספת ננופלים או יצירת רשתות interpeertretretretretretretance - מבלי לשפר את יכולת הנקה.

גורמים המשפיעים על התנהגות מכנית דינמית

התגובה הדינמית של מיקרו-מבני פולימרים אינה קבוע חומר; זה תלוי במספר גורמים חיצוניים ואינסטינקטיים כי מהנדסים חייבים לשקול במהלך תכנון ובדיקה.

רמת הטמפרטורות והטמפרטורה Coupling

שני פרמטרים אלה הם פשוטים יחסית עבור פולימרים רבים, כלומר שינוי בטמפרטורה שווה שינוי בזמן יומן (או תדירות יומן) משוואה וויליאמס-אל-פרי (WLF) מאפשר טרנספורמציה של נתונים מכניים דינמיים על פני מגוון רחב של שיעורים וטמפרטורות. עבור מיקרו מבנים, טמפרטורה מקומית עולה עקב חימום adiabatic יכול להפחית ביעילות את טמפרטורת המעבר זכוכית, מאיץ ומרגיעה חומר.

מיקרו-מבנה גיאומטריה ואדריכלות

קוטר סיבי, צורת חלקיקים, עובי הסרט, ואת גודל תא קצף השפעה על התנהגות דינמי.לדוגמה, ננופיבר יש יחס גדול יותר פני השטח-to-volume, שיפור לחות בין-גזעיים אבל גם להגדיל את ריכוז הלחץ בגבולות.סרטים ת'יק עשויים להציג תנאים של אימון מטוסים כי להעלות את הלחץ התשואות, בעוד סרטים דקים רגישים יותר להשפעות משטח ולחצים מונעים על-vature.

קומפוזיציה חומרית ומורמוולוגיה

פולימרים amorphous (למשל, PMMA, PS) מגיבים לטעינה דינמי באמצעות ניידות פלחאלית ושינויי נפח חינם, בעוד פולימרים למחצה-קריסטל (למשל, PE, ניילון) כרוכים בתהליכים נוספים כגון גבישי, פיצול הלימל, ותיקון מחדש של מילויים כגון פחמן, סיליקה, או חלקיקים לשנות את השדורים המקומיים, או יכול להיות קשה או לנקות את רמת הדימום על איכות.

טכניקות אנליטיות וניסוייות

הבנה חזקה של מכניקת מיקרו-תרבותיות דינמית דורשת שילוב של מודלים ושיטות ניסיוניות שלוכדות הן את התגובה העולמית והן את מנגנוני העיוות המקומי.

Finite Element Modeling (FEM) ו- Multiscale Simulation

ניתוח סופי מתמשך יכול לשלב מודלים חומרים מולקולטיים (למשל, סדרת Prony) וקריטריונים מניבים (למשל, Drucker-Prager) עבור פרטים מיקרו-תרבותיים, אלמנטים נפח נציג (RVEs) עם סיבים או חלקיק מפורשים הם מכוסים ועמידים בתנאי גבול דינמיים.

בדיקות מיקרו-מכונאיות

בדיקות במיקרו-סול הן מאתגרות אך חיוניות.טכניקה כוללת:

• (FLT:0)Nanoindentation:FLT:1) פיקוח על קצב טעינה גבוה (עד 105 N /s) יכול למדוד קשיחות ומודולוס תוך מתן רגישות לקצב.
• (FLT:0Micro-tensile / מדכא: FigFLT 1 מיניאטורי דגימות מסרטים דקים או סיבים בודדים נבדקים עם ממריצים מהירים (למשל, מערכות בר ברונזו מונעות או הופקינסון).
• (FLT:0)Dynamic ניתוח מכני (DMA): irFLT:1 Standard DMA חלה לחץ אוסוציאטורי בתדרים מ 0.01 עד 200 הרץ, מניב אחסון והפסד מודולולי.

מהירות גבוהה Imaging ומיקרוסקופיות

מצלמות מהירות גבוהה של Visible-light (עד 106 fps) בשילוב עם microscopy אופטי לחשוף את הקידוד, היווצרות להקה Shear, וסיבים פורצים במהלך השפעה. עבור רזולוציה nanoscale, זמן-resolved סריקה מיקרוסקופית אלקטרוני (SEM) ואלקטרון microscopy (TEM) עם שלבים טעינה החלפת פגמים דמויי מיקום גבישים ודינמיקה של bril.

צילום רנטגן ו-Nron Scattering

Synchrotron X-ray פיזור (SAXS /WAXS) יכול לעקוב אחר שינויים מיקרו-דוריים במהלך טעינה דינמי עם רזולוציה של זמן תת-מילי השניות. פיזור נויטרונים סבך קטן (SANS) רגיש במיוחד לשלבים מלוטשים, המאפשר מחקרים של מיזוג ושרשרת תחת עיוות מהיר.

יישומים בהנדסה וברפואה

היכולת לחזות ולבקר בהתנהגות מיקרו-מבנה דינמי יש השפעה ישירה על ביצועי המוצר והבטיחות.יש כמה יישומים מרכזיים מדגישים את החשיבות של שדה זה.

השפעות אוויריות - Resistant Composites

תרכובות פולימר-מטרטריקס משמשים בעור מטוסים ופאנלים פנימיים. במהלך שביתת ציפורים או השפעה על פסולת המסלול, התגובה המיקרו-מבנהית של ממשקי סיבים-מטריקס ושכבות interlaminar קובע אם הלוח סופג את האנרגיה או סובל דלמנט קטסטרופלי.

התרסקות רכב

פולמר בולדרים, לוחות מחוונים, וטרים פנימיים חייבים לשרוד את ההשפעות במהירות של עד 50 ק"מ / שעה, עיצוב המיקרו-מבנה כרוך בבחירת תערובת של שלבים רכים וקשה (למשל, פוליפרופילן עם חלקיקים אלסטומר) כדי להשיג ספיגה באנרגיה גבוהה תוך שמירה על קשיחות.

מכשירים ביו-רפואיים והנדסת Tissue Engineering

Stents, תצורות כירורגיות, ורקמות פיגומים כפופים לטעינה מכנית מחזורית בגוף. מאובנים מיקרו-מבניים פולימר חייב להיות התנגדות עייפות ועמידות מול פנים מול רקמות ילידיות. לדוגמה, פולי(L-lactic acid) (PLLA) מיקרופיברים בספירות חייב לשמור על המודולולים שלהם מעל מיליוני מחזורי לב בדלקת מפרקים מעגלית.

אלקטרוניקה גמישה ולבוש

תת-סטריטים פולימר עבור תצוגות גמישות, חיישנים, סוללות, ופועלים חווים התכופים, עיוותים, והשפעה במהלך שימוש רגיל.מיקרו-סרט דקים מבנים חייבים לעמוד בעיוות חוזר ללא סדק או דלמנט. הבנת המשתנים הדינמיים של ה-Bending Modulus ו- interfacial adhesion בקצב גבוה הוא מפתח לשיפור האמינות המכשיר.

כיוונים עתידיים ומחקרים עתידיים

המחקר הנוכחי נועד לגשר על הפער בין הבנה ברמת מיקרו-מבנה וביצועים מקרוסקופיים באמצעות מודלים מתקדמים וגישות המונעות על ידי נתונים.

מודלים בקנה מידה גדול

שילוב דינמיקות מולקולריות (MD) עבור רמת שרשרת, מודלים של bead-spring מוטבע עבור mesoscale, ואלמנטים סופיים עבור הרצף יאפשר סימולציות חיזוי של כישלון תחת טעינה דינמית.מודלים אלה חייבים לקחת בחשבון עבור מעברים שלב מוזנים המושרה, כגון גבישי המושרה בלחץ או היווצרות זכוכית מושרה מכנית.

Machine Learning in Micro Structure

בדיקות וסימולציה של ציוד גבוה לייצר נתונים עצומים על מערכות יחסים מיקרו-מבנה-פרופורטי. אלגוריתמים למידת מכונות יכולים לזהות שילובים אופטימליים של סוג מלא, גיאומטריה, והתפלגות כדי למקסם את ההשפעה או לחות.

ייצור תוספתי של מיקרו-מבנים Polymers

הדפסה תלת מימדית בקנה מידה המיקרו-ממדי (פולימרון דו-פוטוני, כתיבה ישירה) מאפשרת ייצור של מיקרו-מבני פולימרים אדריכליים עם נקבוביות מבוקרת וחיזוק. בדיקות דינמיות של אלה מכונים מכונים מכונים לגלות כי ג'ממטים מעודנים (למשל, octet trusses) מציעים ספיגה אנרגיה מסוימת, בעוד עיצובים מבולדים (למשל, דבש).

תכונות דינמיות עם Probes מתקדם

טכניקות סינכרונכרן אולטרה-ארוכות ושיטות זעזוע לייזר בקנה מידה מעבדה יאפשרו לחוקרים להתבונן באבולוציה המיקרו-מבנית במהלך אירועים הננו-שניים לאורך זמן. ניסויים אלה יאמתו את הדור הבא של מודלים חוקתיים ולספק ראיות ישירות למנגנונים כגון ההיתוך המושרה של ה-Shear או הקלווינציה.

מסקנה

ניתוח ההתנהגות המכנית של מיקרו-מבנה פולימרי תחת טעינה דינמית הוא משמעת מתפתחת במהירות המאחדת חומרים מדע, מכניקה מוצקה ואפיון מתקדם.המשחק של מולקולסטיות, הפלסטיות תלויות בקצב, ומנגנוני הנזק דורשים גישה רבת פנים - אחת המשלבת טכניקות ניסיוניות עם מודלים חישוביים חזקים בתחום זה יאפשר עיצוב של מוצרים בטוחים, קלים יותר, עמידים יותר על פני שטח ניסיוני, כמו גם חומרים אלקטרוניקה סטנדרטית, כמו גם חומרים סטנדרטיים.

(בהמשך קריאה על עקרונות של סטיות וניתוח מכני דינמי, ראה את המשאבים הסמכותיים על (FLT:0viscoelaנכסים של פולימרים FLT:1 עבור סקירה של השפעות מיקרו-תרבותיות בפולימרים תחת השפעה, המאמר FLT:2 "התנהגות דינמית של פולימרוסקים: סקירה" LTFalische מציעה סקירה מקיפה של בדיקות אימות: 4FRER.