使用分析和有限元素方法计算化纤维素纳米晶/环氧生物纳米复合物的相间弹性特性
Ché L Grant1, Homayoun Hadavinia1, Neil A Williams2
1Department of Mechanical Engineering, Kingston University, London, UK.
Science progress
|March 4, 2025
概括
这项研究模拟纤维素纳米晶 (CNC) /环氧纳米复合材料来预测弹性模量. 有限元素分析 (FEA) 准确地确定了相间特性,显示处理增强了模量,但过度化会削弱它.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 纳米技术 纳米技术
- 计算力学 计算力学 计算力学
背景情况:
- 在纳米复合材料中测量相间性质的实验方法受到样品制备和材料限制的限制.
- 分析和数值建模为表征纤维素纳米晶 (CNC) /环氧生物纳米复合材料的相间行为提供了有价值的替代方案.
- 了解相间特性对于优化生物纳米复合材料的机械性能至关重要.
研究的目的:
- 使用分析和数值模型准确确定未经处理和化的CNC/环氧生物纳米复合材料的相间特性和弹性模量.
- 研究CNC加载和化处理对复合材料机械行为的影响.
- 优化有限元素分析 (FEA) 模型,以准确预测纳米复合材料性能.
主要方法:
- 分析模型和数值有限元素分析 (FEA) 的开发,其中包括CNC粒子周围的相间区域.
- 使用Digimat-FE生成2D和3D代表体积元素 (RVE),并在ANSYS.com进行分析.
- 应用ANSYS响应表面优化和拉丁超立方采样 (LHS) 设计空间探索和最佳参数识别.
主要成果:
- 结合相间区域的FEA和分析模型在实验变化范围内产生了弹性模块.
- 复合材料的模量随着CNC加载 (2.5-5重量%) 增加,纳米填充剂处理提高了模量和相间厚度.
- 确定了最佳几何形状,介相厚度为6nm,面积比为10,CNC模块为0.66 MPa,介相模块为1.28 GPa.
结论:
- FEA模型能够准确地预测CNC/环氧生物纳米复合材料的行为,特别是处理的纳米颗粒,平衡精度和计算成本.
- 纳米填充剂处理显著提高机械性能,但过度化会导致削弱,这需要仔细的建模.
- 优化了具有确定参数的FEA模型可以指导高性能生物纳米复合材料的设计.
