УДК 539.32

DOI 10.24411/1683-805X-2019-12010

 

 

Предложена простая методология для изучения влияния межфазных характеристик на модули Юнга, сдвига и объемного сжатия полимерных нанокомпозитов, содержащих сферические наночастицы SiO₂ и CaCO₃. Каждая наночастица с прилегающей межфазной границей представлена в виде ядра с оболочкой. Для таких частиц рассчитаны модули сдвига и объемного сжатия. С помощью простых уравнений предсказаны различные модули композита, содержащего полимерную матрицу и представленные частицы. Отсутствие межфазных областей между полимерной матрицей и наночастицами приводит к заниженным значениям модулей нанокомпозитов, однако результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными для соответствующих значений толщины и модулей межфазных областей. Коэффициент Пуассона полимерной матрицы ν_m оказывает разное влияние на модули Юнга, сдвига и объемного сжатия нанокомпозитов. Изменение ν_m слабо влияет на модуль сдвига, но существенно изменяет модуль объемного сжатия. Межфазные области большой толщины и с большими значениями модулей оказывают положительное влияние на модули Юнга, сдвига и объемного сжатия нанокомпозитов. Согласно представленным результатам, свойства полимерной матрицы, наночастиц и межфазных границ обуславливают широкий разброс значений модуля объемного сжатия, однако незначительно влияют на модули Юнга и сдвига нанокомпозитов.

Ключевые слова: полимерные нанокомпозиты, модуль, межфазные свойства

 

A core-shell structure for interphase regions surrounding nanoparticles to predict the shear, bulk and Young's moduli of polymer particulate nanocomposites

A simple methodology is suggested to examine the roles of interphase characteristics in the shear, bulk and Young's moduli of polymer nanocomposites containing spherical nanoparticles such as SiO₂ and CaCO₃. A core-shell structure is presumed for nanoparticles and surrounding interphase, and then the shear and bulk moduli of supposed particles are calculated. Subsequently, simple equations predict the different moduli of a composite containing a polymer matrix and supposed particles. The absence of interphase regions between the polymer matrix and nanoparticles underestimates the moduli of nanocomposites, but the calculations show good agreement with the experimental data assuming the proper levels for thickness and moduli of interphase regions. The Poisson ratio of polymer matrix ν_m differently affects the shear, bulk and Young's moduli of nanocomposites. The variation of ν_m unimportantly changes the shear modulus, while ν_m significantly affects the bulk modulus. Thick and high-modulus interphase regions cause the positive effects on the shear, bulk and Young's moduli of nanocomposites. According to the present results, the properties of the polymer matrix, nanoparticles and interphase introduce a wide variation in the bulk modulus, while cause moderate and slight changes in the Young's and shear moduli of nanocomposites, respectively.

Keywords: polymer particulate nanocomposites, modulus, interphase properties

 

Y. Zare, K.Y. Rhee  Расчет модулей Юнга, сдвига и объемного сжатия полимерных нанокомпозитов при описании наночастиц с межфазными границами в рамках модели ядро–оболочка // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22. - № 2. - С. 97-104