مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مطالعه خواص مکانیکی پلیمر پلی‌وینیلیدن فلوراید با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی آزمون‌های کشش و DMA

نویسندگان
محمدحسین قاجار 1
محمود موسوی مشهدی 2
هادی قطان کاشانی 1
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 استاد/دانشگاه تهران
چکیده
پلیمر پلی‌وینیلیدن فلوراید به علت داشتن ترکیبی شامل عنصر فلئور که بیشترین الکترونگاتیوی در بین عناصر را دارد، دارای خواص منحصر به فردی همچون پیزو-الکتریک و مقاومت مکانیکی، حرارتی، و شیمیایی بالا می‌باشد. در این مقاله، با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی ماده پلیمری پلی‌وینیلیدن فلوراید آمورف که دارای مونومرهای قطبیده می‌باشد، خواص مکانیکی آن مورد مطالعه قرار گرفته است. به این صورت که ابتدا، با استفاده از آزمون کشش، مدول الاستیک و تنش نهایی تعیین گردیده و تغییرات آن‌ها بر اثر تغییر دما و نرخ کرنش مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، با استفاده از آزمون DMA، مدول مختلط دینامیکی کششی و برشی محاسبه شده و تغییرات آن‌ها هنگامی که نرخ کرنش تغییر می‌کند، مطالعه شده است. این برای اولین بار است که شبیه‌سازی دینامیک مولکولی آزمون DMA صورت می‌گیرد. علاوه بر تعیین خواص ویسکوالاستیک ماده، حذف ساده اغتشاشات دمایی به جهت تبعیت توابع تنش و کرنش بر حسب زمان از الگوی سینوسی، از مزایای آزمون DMA محسوب می‌شود. تطابق رفتاری نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی با واقعیت، کارامدی مدل ارائه شده را نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
خواص مکانیکی
پلیمر پلی‌وینیلیدن فلوراید
شبیه‌سازی دینامیک مولکولی
آزمون DMA
ویسکوالاستیک

عنوان مقاله English

Molecular Dynamics Study of Mechanical Properties of Polyvinylidene Fluoride Polymer by Tensile Test and Dynamic Mechanical Analysis

نویسندگان English

Mohammad Hossein Ghajar 1
Mahmoud Mosavi 2
Hadi Ghattan Kashani 1
1 Department of mechanical engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Professor/ Department of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Polyvinylidene fluoride polymer poses unique properties such as piezoelectric and high mechanical, thermal, and chemical resistance due to the consisting of the most electronegative element, fluorine, in its combination. In this paper, molecular dynamics simulation of amorphous polyvinylidene fluoride polymer containing polarized monomers is utilized to study its mechanical properties. Firstly, by using tensile test, elastic modulus and ultimate stress are determined and their changes due to temperature and strain rate change are studied. Then, by using dynamic mechanical analysis, tensile and shear dynamic complex modulus are calculated and their changes are studied while strain rate changes. This is for the first time that dynamic mechanical analysis is simulated by molecular dynamics. In addition to determining the viscoelastic properties of the material, straight forward elimination of temperature disturbances due to the sinusoidal pattern of stress and strain functions in terms of time is one of the advantages of the dynamic mechanical analysis. Consistency between simulated and actual trends shows the efficiency of the proposed model.

کلیدواژه‌ها English

Mechanical properties
Polyvinylidene fluoride
Molecular dynamics simulation
Dynamic mechanical analysis
Viscoelastic
[1] A. Taguet, B. Ameduri, B. Boutevin, Crosslinking of vinylidene fluoridecontaining fluoropolymers, Crosslinking in Materials Science, Vol. 1, No. 1, pp. 465-465, 2005.
[2] P. Martins, A. C. Lopes, S. Lanceros-Mendez, Electroactive phases of poly (vinylidene fluoride): determination, processing and applications, Progress in Polymer Science, Vol. 39, No. 4, pp. 683-706, 2014.
[3] N. Karasawa, W. A. I. Goddard, Force fields, structures, and properties of poly (vinylidene fluoride) crystals, Macromolecules, Vol. 25, No. 26, pp. 7268-7281, 1992.
[4] O. G. Byutner, G. D. Smith, Quantum chemistry based force field for simulations of poly (vinylidene fluoride), Macromolecules, Vol. 33, No. 11, pp. 4264-4270, 2000.
[5] Y. Chen, C. Y. Shew, Theoretical studies of the conformational behavior of chain molecules containing polar groups: Simulations of a poly (vinylidene fluoride) model, Journal of Molecular Modeling, Vol. 9 No. 6, pp. 379-389, 2003.
[6] E. Erdtman, K. C. Satyanarayana, K. Bolton, Simulation of α-and β-PVDF melting mechanisms, Polymer, Vol. 53, No. 14, pp. 2919-2926, 2012.
[7] S. Lee, J. Park, J. Yang, W. Lu, Molecular dynamics simulations of the traction-separation response at the interface between PVDF binder and graphite in the electrode of Li-ion batteries, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 161, No. 9, pp. A1218-A1223, 2014.
[8] S. Lee, Molecular Dynamics Study of the Separation Behavior at the Interface between PVDF binder and copper current collector, Journal of Nanomaterials, Vol. 2016, January, Article No. 20, Article ID 4253986, 2016.
[9] G. Zhu, Z. Zeng, L. Zhang, X. Yan, Piezoelectricity in β-phase PVDF crystals: A molecular simulation study, Computational Materials Science, Vol. 44, No. 2, pp. 224-229, 2008.
[10] V. Lachet, J. M. Teuler, B. Rousseau, Classical force field for hydrofluorocarbon molecular simulations. application to the study of gas solubility in poly (vinylidene fluoride), The Journal of Physical Chemistry A, Vol. 119, No. 1, pp. 140-151, 2014.
[11] K. C. Satyanarayana, K. Bolton, Molecular dynamics simulations of α-to βpoly (vinylidene fluoride) phase change by stretching and poling, Polymer, Vol. 53, No. 14, pp. 2927-2934, 2012.
[12] K. K. Chawla, M. A. Meyers, Mechanical Behavior of Materials, pp. 120- 126, New Jersey: Prentice Hall, 1999.
[13] J. S. Humphrey, R. Amin‐Sanayei, Vinylidene fluoride polymers, Encyclopedia of Polymer Science and Technology, pp. 510-529, New Jersey: John Wiley & Sons, 2004.
[14] L. J. Fetters, D. J. Lohse, D. Richter, T. A. Witten, A. Zirkel, Connection between polymer molecular weight, density, chain dimensions, and melt viscoelastic properties, Macromolecules, Vol. 27, No. 17, pp. 4639-4647, 1994.
[15] J. Bicerano, Prediction of Polymer Properties, pp. 341-372, New York, CRC Press, 2002.
[16] T. U. Patro, M. V. Mhalgi, D. V. Khakhar, A. Misra, Studies on poly (vinylidene fluoride)–clay nanocomposites: effect of different clay modifiers, Polymer, Vol. 49, No. 16, pp. 3486-3499, 2008.
[17] F. L. Zeng, Y. Sun, Y. Zhou, Q. K. Li, A molecular dynamics simulation study to investigate the elastic properties of PVDF and POSS nanocomposites, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, Vol. 19, No. 2, pp. 025005, 2011.
[18] L. Laiarinandrasana, J. Besson, M. Lafarge, G. Hochstetter, Temperature dependent mechanical behaviour of PVDF: experiments and numerical modelling, International Journal of Plasticity, Vol. 25, No. 7, pp. 1301-1324, 2009.
[19] I. H. Sahputra, A. T. Echtermeyer, Effects of temperature and strain rate on the deformation of amorphous polyethylene: a comparison between molecular dynamics simulations and experimental results, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, Vol. 21, No. 6, pp. 065016, 2013.
[20] A. Vinogradov, F. Holloway, Electro-mechanical properties of the piezoelectric polymer PVDF, Ferroelectrics, Vol. 226, No. 1, pp. 169-181, 1999.
[21] C. R. Siviour, S. M. Walley, W. G. Proud, J. E. Field, The high strain rate compressive behaviour of polycarbonate and polyvinylidene difluoride, Polymer, Vol. 46, No. 26, pp. 12546-12555, 2005.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 2
اردیبهشت 1397
صفحه 95-102