Μηχανική και θραυστομηχανική μελέτη εποξικών δικτύων με χρήση ατομιστικών προσομοιώσεων
Loading...
Date
2025-02-28
Authors
Δήμογλης, Νικόλαος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Τα τελευταία χρόνια οι αεροναυπηγικές/αεροδιαστημικές εταιρίες έχουν αυξήσει κατακόρυφα την χρήση των σύνθετων εποξικών υλικών, φτάνοντας στο 50% του ολικού βάρους του αεροπλάνου. Αυτό οφείλεται στο πολύ ελαφρύ τους βάρος σε σχέση με την υψηλή αντοχή τους, σε συνδυασμό με πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες, όπως αντοχή σε θραύση, με μεγάλες πλαστικές παραμορφώσεις, σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Τα εποξικά υλικά δημιουργούνται από τον πολυμερισμό εποξικών ρητινών με σκληρυντές, υπό συγκεκριμένες συνθήκες.
H μελέτη τους γίνεται σε μικροσκοπικό επίπεδο, με την βοήθεια της Μοριακής Δυναμικής, επιτρέποντας την ανάλυση της μικροδομής του μοριακού συστήματος, των μηχανισμών σκλήρυνσης και εν τέλη εκφράζοντας τις μακροσκοπικές ιδιότητες του υλικού.
Η Μοριακή Δυναμική ουσιαστικά γεφυρώνει το χάσμα του μικρόκοσμου με τον μακρόκοσμο, βασιζόμενη στις αρχές της στατιστικής μηχανικής. Είναι μια υπολογιστική μέθοδος ανάλυσης της κίνησης και αλληλεπίδρασης των ατόμων και των μορίων, βασισμένη στην Νευτώνεια Μηχανική. Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των σωματιδίων εκφράζονται μέσω της δυναμικής τους ενέργειας, η οποία υπολογίζεται μέσω των δυναμικών πεδίων (force fields). Στην κλασική μοριακή δυναμική, ένα σημείο με πεπερασμένη μάζα αντικαθιστά την τρισδιάστατη δομή του ατόμου. Η ισορροπία μεταξύ των απωστικών και των ελκτικών δυνάμεων ορίζουν την δυναμική ενέργεια μεταξύ των ατόμων ή αλλιώς το δυναμικό πεδίο. Ο χρήστης καλείται να επιλέξει ανάμεσα σε πληθώρα δυναμικών πεδίων, ανάλογα με την προσομοίωση που διεξάγει. Στα δυναμικά πεδία, η δυναμική ενέργεια εκφράζεται μέσω αρμονικών και μη αρμονικών ταλαντωτών, με την συνδρομή των οποίων περιγράφουν τις ατομικών αλληλεπιδράσεις, οι οποίες χωρίζονται σε δεσμικές (δεσμοί, γωνίες, δίεδρες γωνίες και μη κανονικές δίεδρες γωνίες) και μη-δεσμικές (Coulomb & Van der Waals). Στην συνέχεια εφαρμόζονται οι εξισώσεις της κίνησης του Νεύτωνα και εξάγονται οι τροχιές τους στον χώρο κατά την πάροδο του χρόνου. Η Μοριακή Δυναμική χρησιμοποιείται ευρέως στην φυσική, την χημεία, την βιολογία και την επιστήμη των υλικών για την εξαγωγή των μηχανικών, θερμικών και χημικών ιδιοτήτων των υλικών, προσομοιώνοντας με εξαιρετική ακρίβεια χημικές αντιδράσεις δημιουργίας και διάσπασης χημικών δεσμών. Ένα από τα πιο διαδεδομένα προγράμματα προσομοιώσεων Μοριακής Δυναμικής και κορυφαίο στις προσομοιώσεις που εφάπτονται στην επιστήμη των υλικών είναι το Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS).
Στην παρούσα -διπλωματική- εργασία αρχικά μελετάται η σταυροδέσμευση μορίων της εποξικής ρητίνης Diglycidyl Ether of Bisphenol F (DGEBF) με μοριακό τύπο C19_H20_O4 και του σκληρυντή Diethyl toluene diamine (DETDA) με μοριακό τύπο C11_H18_N2 προς την δημιουργία σταυροδεσμευμένου εποξικού υλικού. Εξηγείται η διαδικασία της σταυροδέσμευσης βάση του πρωτόκολλου REACTER και αναλύεται η επιλογή όλων των απαραίτητων ρυθμίσεων και παραμέτρων που πρέπει να επιλέξει και να τροποποιήσει ο χρήστης για την δημιουργία ενός συστήματος εποξικού υλικού προς εξαγωγή των βέλτιστων αποτελεσμάτων. Η προσομοίωση της σταυροδέσμευσης των εποξικών υλικών συνοδεύεται από αρκετές δυσκολίες και προκλήσεις με κυριότερο το ιδιαίτερα υψηλό υπολογιστικό κόστος – εώς δυσβάσταχτο για απλούς υπολογιστές, εξαρτώμενο πρωτίστως από την επιλογή του δυναμικού πεδίου και τους χρόνους προσομοίωσης, οι οποίοι άπτονται της κλίμακας των nanoseconds.
Καταληκτικά, στο πρώτο στάδιο αναλύεται ο αλγόριθμος που πρέπει να ακολουθήσει ο χρήστης για να κατασκευάσει ένα σταυροδεσμευμένο σύστημα, εξισορροπημένο ενεργειακά και δομικά, με ικανοποιητική πυκνότητα και ποσοστό σταυροδέσμευσης που προσεγγίζει πειραματικές τιμές. Το σύστημα ακολουθώντας την μεθοδολογία αποκτά υπόσταση που ανταποκρίνεται στην φυσική και κρίνεται ορθό να υποβληθεί σε περαιτέρω προσομοιώσεις για την διερεύνηση των μηχανικών του ιδιοτήτων.
Έπειτα εξηγείται αναλυτικά ο αλγόριθμος για την θραυστομηχανική μελέτη συστημάτων εποξικών δικτύων, όπως και την ανάλυση των δεδομένων προς εξαγωγή των μηχανικών ιδιοτήτων συστημάτων εποξικών δικτύων. Η μελέτη επικεντρώνεται (i) στην μελέτη της εξάρτησης των μηχανικών ιδιοτήτων από το ποσοστό σταυροδέσμευσης των εποξικών δικτύων και (ii) στην μελέτη συστημάτων διαφορετικού μεγέθους ατόμων και την διερεύνηση του βέλτιστου μεγέθους εποξικού δικτύου που συνδυάζει ακριβή αποτελέσματα και υπολογιστική απόδοση.
Description
Keywords
Προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, Εποξικά δίκτυα, Σταυροδέσμευση, Κλασικά δυναμικά πεδία, Θραυστομηχανική μελέτη, Μηχανικές ιδιότητες