Hành vi đàn hồi và viscoelastic của composite elastomer - Luận án tiến sĩ

Ma trận polymer tạo nền cho composite elastomer. Cao su thiên nhiên hoặc tổng hợp thường được sử dụng. Chuỗi polymer dài tạo mạng lưới liên kết ngang. Quá trình lưu hóa tạo liên kết hóa học bền vững. Mật độ liên kết ngang ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng vật liệu. Ma trận cho phép biến dạng lớn mà không bị phá hủy. Tính đàn hồi cao giúp vật liệu phục hồi sau biến dạng.

Pha gia cường thường là sợi thép, sợi thủy tinh hoặc sợi aramid. Sợi tăng mô đun đàn hồi và độ bền kéo. Hướng sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu composite. Phân bố sợi đồng đều đảm bảo tính chất ổn định. Lực liên kết giữa sợi và ma trận rất quan trọng. Tỷ lệ thể tích sợi ảnh hưởng đến độ cứng tổng thể.

Quan hệ ứng suất biến dạng không tuân theo định luật Hooke. Đường cong có dạng chữ S đặc trưng cho elastomer. Vùng biến dạng nhỏ có mô đun đàn hồi thấp. Vùng biến dạng lớn mô đun tăng nhanh do sợi căng thẳng. Hiện tượng này gọi là làm cứng biến dạng. Mô hình siêu đàn hồi mô tả chính xác hành vi này.

Năng lượng tự do Helmholtz chia thành hai thành phần chính. Thành phần thể tích liên quan đến thay đổi thể tích. Thành phần lệch liên quan đến thay đổi hình dạng. Đối với vật liệu composite, thêm thành phần dị hướng. Phân tách này đơn giản hóa việc xác định tham số. Mỗi phần có ý nghĩa vật lý rõ ràng.

Bất biến biến dạng I1, I2, I3 mô tả trạng thái biến dạng. I1 liên quan đến độ giãn dài trung bình. I2 phản ánh biến dạng cắt. I3 đại diện cho thay đổi thể tích. Đối với vật liệu không nén được, I3 bằng 1. Bất biến giả I4, I5 mô tả ảnh hưởng hướng sợi. Các bất biến này là cơ sở cho mô hình cấu trúc.

Thí nghiệm kéo đơn trục đơn giản nhất để thực hiện. Đo lực và độ giãn dài theo thời gian. Thí nghiệm cắt thuần túy loại bỏ ảnh hưởng biến dạng pháp tuyến. Thí nghiệm kéo hai trục cung cấp dữ liệu đầy đủ nhất. Phương pháp tối ưu hóa tìm tham số phù hợp nhất. Sai số giữa mô hình và thực nghiệm cần tối thiểu.

Creep xảy ra khi tải trọng không đổi tác dụng lâu dài. Biến dạng tăng dần theo thời gian dù ứng suất không đổi. Giai đoạn đầu creep nhanh sau đó chậm dần. Ma trận polymer chịu trách nhiệm chính cho creep. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ creep. Dự đoán creep quan trọng cho thiết kế kết cấu lâu dài.

Relaxation xảy ra khi giữ biến dạng cố định. Ứng suất giảm dần do sắp xếp lại chuỗi polymer. Thí nghiệm relaxation đơn giản để thực hiện. Mẫu kéo đến biến dạng định trước rồi giữ cố định. Đo ứng suất giảm theo thời gian. Dữ liệu relaxation xác định mô đun hồi phục.

Vận tốc tải trọng ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng ứng suất. Tải trọng nhanh cho ứng suất cao hơn. Tải trọng chậm cho phép relaxation xảy ra đồng thời. Hiệu ứng này quan trọng trong ứng dụng động. Mô hình viscoelastic phải tính đến vận tốc biến dạng. Thí nghiệm với nhiều vận tốc khác nhau cần thiết.

Biến nội là biến số không quan sát trực tiếp được. Chúng mô tả cấu trúc bên trong vật liệu. Trong polymer, biến nội liên quan đến cấu hình chuỗi phân tử. Số lượng biến nội tùy thuộc độ phức tạp mô hình. Mỗi biến nội có phương trình tiến hóa riêng. Biến nội tương đương với biến dạng nhớt.

Phương trình tiến hóa là phương trình vi phân bậc nhất. Dạng phi tuyến phù hợp với biến dạng lớn. Thời gian hồi phục xuất hiện trong phương trình. Giá trị nhỏ của thời gian hồi phục cho đáp ứng nhanh. Giá trị lớn cho đáp ứng chậm. Tích phân số phương trình cho giải pháp theo thời gian.

Tham số viscoelastic gồm mô đun đàn hồi và thời gian hồi phục. Thí nghiệm relaxation ứng suất cung cấp dữ liệu chính. Đường cong relaxation fit với mô hình lý thuyết. Phương pháp bình phương cực tiểu tìm tham số tối ưu. Nhiều bộ tham số có thể cho kết quả tương tự. Kiểm tra với thí nghiệm khác đảm bảo tính duy nhất.

COMSOL cho phép định nghĩa vật liệu tùy chỉnh. Hàm năng lượng tự do được nhập dưới dạng biểu thức toán học. Đạo hàm tự động tính ứng suất từ năng lượng. Tham số vật liệu nhập từ thí nghiệm. Mô hình viscoelastic cần thêm biến nội. Phương trình tiến hóa được định nghĩa trong module ODE.

Lưới phần tử cần đủ mịn để bắt gradient ứng suất. Vùng có ứng suất cao cần lưới mịn hơn. Phần tử bậc hai cho độ chính xác cao hơn. Kiểm tra hội tụ bằng cách làm mịn lưới dần. Kết quả ổn định khi lưới đủ mịn. Cân bằng giữa độ chính xác và thời gian tính toán.

Kết quả mô phỏng so sánh trực tiếp với dữ liệu thí nghiệm. Đường cong lực-biến dạng phải trùng khớp tốt. Sai số dưới 10% được chấp nhận trong kỹ thuật. Nếu sai số lớn, cần điều chỉnh tham số hoặc mô hình. Xác nhận với nhiều loại tải trọng tăng độ tin cậy. Mô hình đã xác nhận dùng cho dự đoán.

Elastomer MS chứa 20-40% thể tích hạt sắt từ. Hạt có kích thước micro hoặc nano mét. Phân bố ngẫu nhiên hoặc định hướng trong ma trận. Từ trường làm hạt sắp xếp thành chuỗi. Lực hút giữa hạt làm tăng độ cứng vật liệu. Hiệu ứng mạnh hơn với hạt định hướng trước.

Bài toán ghép từ-cơ cần giải đồng thời hai trường. Năng lượng tự do phụ thuộc biến dạng và từ trường. Ứng suất Cauchy bao gồm thành phần cơ và từ. Phương trình Maxwell tính phân bố từ trường. Điều kiện biên từ học cần xác định cẩn thận. Giải lặp hoặc đồng thời tùy thuộc phần mềm.

Hệ giảm chấn thích nghi điều chỉnh độ cứng theo điều kiện. Robot mềm sử dụng MS elastomer làm cơ bắp nhân tạo. Cảm biến lực từ tính dựa trên thay đổi từ trở. Van điều khiển từ không cần năng lượng giữ trạng thái. Nghiên cứu đang phát triển vật liệu đáp ứng nhanh hơn. Tương lai hướng đến thiết bị y sinh và hàng không vũ trụ.