Визначення фізичних властивостей полімерних і композиційних матеріалів методами молекулярної динаміки і структурної механіки
| dc.contributor.advisor | Карвацький, Антон Янович | |
| dc.contributor.author | Чолак, Ірина Володимирівна | |
| dc.date.accessioned | 2025-05-06T09:13:26Z | |
| dc.date.available | 2025-05-06T09:13:26Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Чолак І. В. Визначення фізичних властивостей полімерних і композиційних матеріалів методами молекулярної динаміки і структурної механіки. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 «Прикладна механіка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені ІгоряСікорського», Київ, 2025. Дисертаційну роботу присвячено визначенню фізико-механічних властивостей полімерних і композиційних матеріалів методами молекулярної динаміки та структурної механіки перед їхнім синтезом, що необхідно для прогнозування їхньої ефективності при вирішенні конкретних завдань в умовах експлуатації наближених до реальних. Проведено аналітичний огляд сучасного стану досліджень фізико-механічних властивостей полімерних та композиційних матеріалів. . Розглянуто програмне забезпечення та ряд силових полів, що використовуються для моделювання полімерів та полімерних нанокомпозиційних матеріалів(ПНКМ) методами молекулярної динаміки (МД), методи побудови молекулярних систем полімерів та композитів їх основі, способи врівноваження молекулярних моделей та подальшого моделювання фізико-механічних властивостей матеріалів. Встановлено, що методи числового моделювання є потужними інструментами для мінімізації витрати матеріальних ресурсів та тривалості розробки нових матеріалів, зокрема нанокомпозитів. Моделювання процесів у полімерах та полімерних нанокомпозитах перед їхнім синтезом за допомогою вказаних методів дає змогу дослідити поведінку матеріалів в наближених дореальних умовах експлуатації та визначити доцільність їхнього виробництва ще на етапі розробки. Розглянуто взаємозв’язок між методами молекулярної динаміки та структурної механіки через багатоступеневий підхід до комп’ютерного моделювання для розширення можливостей моделювання. Встановлено, що використання багатоступеневого підходу сприяє зменшенню використовуваних потужностей комп’ютера та розширює часові та просторові границі досліджуваних систем. За результатами проведеного огляду встановлено, що наразі недостатньо досліджено вплив нефункціалізованих нанонаповнювачів з довільним їхнім розміщенням у полімерній матриці на комплекс фізико-механічних властивостей ПНКМ, потрібних для континуального моделювання термо-пружно-пластичного стану в умовах експлуатації. Тому використання методів молекулярної динаміки на етапі створення нових нанокомпозиційних матеріалів для визначення їхніх фізико-механічних властивостей та розвиток багатоступеневого підходу до комп’ютерного моделювання є безумовно актуальною проблемою. На підставі проведеного літературного огляду обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи та сформульовано її мету, яка полягає увизначенніфізико-механічних властивостей полімерів та нанокопозиційнихматеріалівзполімерною матрицею та їх застосування в промисловому виробництві. З використанням програми LAMMPS проведено молекулярно-динамічнемоделювання фізико-механічних властивостей поліетилену. Результативерифікації молекулярної моделі поліетилену (ПЕ) показали, що отриманідані МД моделювання або збігаються з наявними літературними даними, або наближені до них. За аналогічними алгоритмами проведено теоретичні дослідження механічних властивостей нанокомпозитів поліетилен-вуглецеві нанотрбки(ПЕ-ВНТ) і ПЕ-графен методами молекулярної динаміки. За результатами проведеного моделювання, встановлено, що при додаванні ВНТ до полімеру модуль пружності ПЕ-ВНТ (за об’ємної частки ВНТ α = 2,08 %) порівнянозчистим ПЕ збільшується на 6,2 % при 275 К та на 25,2 %при300К. Границятекучості ПЕ-ВНТ (при α = 2,08 %) порівняно з ПЕ такожпідвищується:на13,8 % при 275 К і на 8,8 % при 300 К і швидкості деформації 109 с−1.На інтервалі температур (275–315) К модуль пружності нанокомпозитуПЕ-графен(за об’ємної частки графену α = 1,36 %) перевищує відповідні значенняПЕ:на6,7 % при 275 К і на 6,0 % при 300 К, а при 325 К – навпакизменшуєтьсяна5,4 %. Границя текучості ПЕ-графен (при α = 1,36 %) порівняноз ПЕтакожпідвищується: на 8,9 % при 275 К і на 11,7 % при 300 К і швидкості деформації 109 с−1. Проведено молекулярно-динамічне моделювання теплофізичних властивостей нанокомпозитів ПЕ-ВНТ і ПЕ-графен, що включають: теплопровідність, масову ізобарну теплоємність, коефіцієнт лінійного температурного розширення (КЛТР) та температуру склування. Встановлено,що додавання вуглецевих нанотрубок і листів графену збільшує величину ефективної теплопровідності матриці з ПЕ на (44–54) %за температури293Кіза об’ємної частки ВНТ 2,08 % і графену – 1,36 %, відповідно. Це пов’язано з тим, що наявність нанодомішок у матриці ПЕ підвищує впорядкованість її структури, призводить до збільшення середнього вільного діапазону дифузії фононів та ослаблення їх розсіювання, і тим самим підвищує теплопровідність нанокомпозитів ПЕ-ВНТ та ПЕ-графен. Виконано порівняння даних МДмоделювання ефективної теплопровідності ПЕ-ВНТ і ПЕ-графензвідповідними даними розрахованими за теоретичними залежностямидлякомпозиційних матеріалів. Встановлено, що теоретичні залежності даютьзанижені на (6–26) % значення ефективної теплопровідності порівняно з МДмоделюванням. При цьому розбіжність між значеннями теплопровідностізростає зі збільшенням об’ємної частки ВНТ. За результатами порівняння теплофізичних властивостей властивостей молекулярних моделей чистого ПЕ та нанокомпозиту ПЕ-ВНТ(приα=2,08%)встановлено, на інтервалі температур більше 300 К: масоваізобарнатеплоємність ПЕ-ВНТ збільшується на 3,4 % при 310 К і на 4,9%при320К;КЛТР також підвищується на 18,8 % при 310 К та на 27,5 %при320К. При280 К значення масової ізобарної теплоємності ПЕ-ВНТ(приα=2,08%)порівняно з ПЕ менші на 1,6 % і КЛТР – також менші, але на 12,2%. Для інтервалу температур (275–315) К встановлено, що графікилінійнихтемпературних залежностей масової ізобарної теплоємності і КЛТРПЕ-графенмають зростаючі залежності і перетинають відповідні графіки ПЕнаінтервалі(300–310) К залежно від об’ємної частки графену. За температури280Кзначення ср ПЕ-графен порівняно з ПЕ менші на (5–6) %, а при 320К–навпакибільші на (3,1–5,3) %. При 280 К значення КЛТР ПЕ-графен порівнянозПЕменші на (25–35) %, а при 320 К – більші на (11–17) %. Отримано нелінійні двопараметричні залежності механічнихтатеплофізичних властивостей ПЕ-ВНТ і ПЕ-графен у діапазоні змінитемператур(280–320) К та об’ємної частки наповнювачів (0–2,0) %і (0–1,5) %відповідно.При цьому для розробки нових нанокомпозиційних матеріалівнепотрібновиконувати достатньо складні й тривалі числові експериментинабазіМДмоделювання. Вказаний комплекс властивостей потрібен для моделювання термо-пружно-пластичного стану виробів з нанокомпозитів ПЕ-ВНТіПЕ-графен в умовах експлуатації в континуальному наближенні. З використанням результатів МД моделювання відпалу молекулярнихсистем ПЕ, ПЕ-ВНТ і ПЕ-графен під ізотермічно-ізобарним ансамблем NPT визначено температури склування вказаних матеріалів на підставі аналізу їхніх функціональних залежностей зміни об’єму від температури. Встановлено,що для нанокомпозитів ПЕ-ВНТ з ростом частки наповнювача температура склування підвищується, а для нанокомпозитів ПЕ-графеннавпакизменшується. Сформульовано математичні та розроблено відповідні числові моделізадач напружено-деформованого стану для моделювання випробуваньнанокомпозиційних матеріалів типу ПЕ-ВНТ з функціоналізованимиВНТунаближенні ізотропного середовища. Виконано дослідження ефективнихмеханічних властивостей нанокомпозитів ПЕ-ВНТ з різноюоб’ємноючасткоюта довільним розташуванням функціоналізованих ВНТ різної довжинивполімерній матриці. Для визначення ефективних механічнихвластивостейнанокомпозитів ПЕ-ВНТ за даними числового моделювання напружено-деформованого стану зразків використано дві методики, які даютьзбіжнірезультати для коротких ВНТ: різниця між значеннями ефективногомодуляпружності при α = 0,69 % становить 0,1%, а при α = 2,06 %– 0,8 %. Дослідженосіткову збіжність розроблених числових моделей методомподвійногоперерахунку. Встановлено, що за даними числового моделюванняпохибкавизначення модуля пружності не перевищує 0,2 %, а коефіцієнтаПуассона–0,023 %. На підставі порівняння отриманих значень з результатамимолекулярно-динамічного моделювання нанокомпозитів ПЕ-ВНТ з об’ємноючасткоюВНТα ≤ 2,08 %, визначено, що функціоналізація коротких ВНТ у нанокомпозитіПЕ-ВНТ не призводить до підвищення модуля пружності, що може бутипов’язанозі значним, більше ніж у два рази, зменшенням модуля пружності функціоналізованих ВНТ порівняно з нефункціалізованими через наявність вакансій, які з’являються в структурі ВНТ при їх функціоналізації та значно більше впливають на властивості коротких ВНТ ніж довгих. При порівнянні модуля пружності зразків поліетилену армованого короткими та довгими ВНТ визначено, що армування довгими ВНТ сприяє збільшенню модуля пружності на 14,8 % (у 1,17 разів) за об’ємної частки ВНТ меншої на 0,81 %. Розроблено інструменти у вигляді математичних моделей, методик теоретичних досліджень фізико-механічних властивостей полімерних матеріалів методами молекулярної динаміки і структурної механіки та розрахунку паковань, в яких застосовуються полімерні нанокомпозиційні матеріали. Розроблено рекомендації щодо використання полімерних нанокопозиційних матеріалів у промисловому виробництві та пакувальній індустрії. Визначено ефективність застосування нанокомпозиту ПЕ-ВНТ замість ПЕ у трубах для водопостачання та ємностях для зберігання хімікатів за допомогою відповідних порівняльних розрахунків напружено-деформованогостану.Запропоновано для 3D-друку методом пошарового наплавленнявикористовувати пруток з нанокомпозиту ПЕТГ-ВНТ (де ПЕТГмодифікація поліетилентерефталату з додаванням гліколю, що є більш міцним і термостійким, ніж звичайний ПЕТ). Використання прутка ПЕТГ-ВНТ будесприяти поліпшенню механічних властивостей 3D-друкованих виробів порівняно з ПЕТГ і, зокрема, пакувальної тари, виготовленої просторовим друком, та покращенню адгезії між шарами стренги у виробах. Результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальний процес кафедри хімічного, полімерного і силікатного машинобудування КПІ ім. ІгоряСікорського під час викладання дисциплін «Дослідження та інжинірингпакувального обладнання», «Прикладні проблеми механікисуцільнихсередовищ», «Наукова робота за темою магістерської дисертації»дляспеціальності «131 – Прикладна механіка», спеціалізації «Інжинірингпакованьта пакувального обладнання». | |
| dc.description.abstractother | Cholak I. V. Determination of the Physical Properties of PolymerandComposite Materials by Methods of Molecular Dynamics and Structural Mechanics.– Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty131"AppliedMechanics." – National Technical University of Ukraine "Igor SikorskyKyivPolytechnic Institute", Kyiv, 2025. The dissertation is devoted to the determination of the physical andmechanicalproperties of polymer and composite materials using molecular dynamics(MD)methods and structural mechanics before their synthesis, which is necessaryforpredicting their effectiveness in solving specific tasks under conditions closetoreal-world operations. An analytical review of the current state of research on the physicalandmechanical properties of polymeric and composite materials was conducted. Thesoftware and various force fields used for modeling polymers andpolymernanocomposite materials (PNCMs) by MD methods, the techniques for buildingmolecular systems of polymers and composites, and the ways of equilibratingmolecular models for further simulation of the materials’ physical andmechanicalproperties were considered. It was established that numerical modelingmethodsarepowerful tools for minimizing the consumption of material resources andthetimerequired for the development of new materials, particularly nanocomposites.Modeling processes in polymers and polymer nanocomposites before their synthesisusing the mentioned methods allows studying the behavior of materialsunderconditions approximating real operational environments and determiningthefeasibility of their production at the design stage. The relationship between molecular dynamics and structural mechanicsmethods was considered through a multiscale approach to enhancemodelingcapabilities. It was found that the use of a multiscale approach helps toreducethe computational power required and extends the temporal and spatial boundariesofthesystems under study. The review results showed that the influence of non-functionalizednanofillerswith random distribution in the polymer matrix on the set of physical andmechanicalproperties of PNCMs, necessary for continuous modeling of thermo-elasto-plasticstates under operational conditions, has not been sufficiently studied. Therefore,using molecular dynamics methods at the stage of developing newnanocompositematerials to determine their physical and mechanical properties andadvancingthemultiscale approach to computer modeling is an undoubtedly relevant issue. Based on the literature review, the relevance of the dissertationwasjustified,and its goal was formulated, which is to determine the physical andmechanicalproperties of polymers and nanocomposite materials with a polymer matrixandtheirapplication in packaging. Using the LAMMPS software, MD modeling of the physical andmechanicalproperties of polyethylene was carried out. The results of verifying the polyethylene(PE) molecular model showed that the MD simulation data either matchedorwereclose to the available literature data. Theoretical studies of the mechanical properties of polyethylene-carbonnanotube (PE-CNT) and PE-graphene nanocomposites were carried out usingsimilaralgorithms. The results of the modeling showed that adding CNTtothepolymerincreases the elastic modulus of PE-CNT (at CNT volume fraction α=2.08%)by6.2 % at 275 K and 25.2 % at 300 K compared to pure PE. The yieldstrengthofPE-CNT (at α = 2.08 %) also increased: by 13.8 % at 275 K and by 8.8 %at 300Katastrain rate of 10 9 s⁻¹. In the temperature range (275–315) K, the elastic modulusofthePE-graphene nanocomposite (at graphene volume fraction α = 1.36 %) exceededthatof PE by 6.7 % at 275 K and 6.0 % at 300 K, but decreased by 5.4 %at 325K. Theyield strength of PE-graphene (at α=1.36 %) also increased: by 8.9 %at 275Kandby11.7 % at 300 K at a strain rate of 10 9 s⁻¹. Molecular dynamics modeling of the thermophysical properties of PE-CNTand PE-graphene nanocomposites was conducted, including thermal conductivity, specific isobaric heat capacity, the coefficient of linear thermal expansion(CLTE),and the glass transition temperature. It was found that adding carbonnanotubesandgraphene sheets increased the effective thermal conductivity of the PEmatrixby(44–54) % at 293 K for CNT volume fraction of 2.08% and graphene 1.36%, respectively.This is due to the fact that the presence of nanofillers in the PEmatrixenhancestheordering of its structure, increases the mean free path of phonon diffusion, reducestheir scattering, and thus improves the thermal conductivity of the PE-CNTandPE-graphene nanocomposites. A comparison of MD simulation data ontheeffectivethermal conductivity of PE-CNT and PE-graphene with the correspondingvaluescalculated by theoretical dependencies for composite materials showedthattheoretical dependencies underestimated the effective thermal conductivityby(6–26)% compared to MD simulation. The discrepancy between thermal conductivityvalues increased with increasing CNT volume fraction. A comparison of the thermophysical properties of the molecular modelsofpure PE and the PE-CNT nanocomposite (at α = 2.08 %) in the temperaturerangeabove 300 K showed that the isobaric heat capacity of PE-CNT increasedby3.4%at310 K and by 4.9 % at 320 K, and the CLTE also increased by 18.8 %at 310Kand27.5 % at 320 K. At 280 K, the isobaric heat capacity of PE-CNT(at α=2.08%)was1.6 % lower compared to PE, and the CLTE was also lower by 12.2 %. For the temperature range (275–315) K, it was found that thelineartemperature dependencies of the isobaric heat capacity and CLTEof PE-graphenehad increasing trends and intersected with the corresponding graphs of PEinthe(300–310) K interval, depending on the graphene volume fraction. At 280K,thevalues of cp for PE-graphene were (5–6) % lower compared to PE, whileat 320K,they were 3.1–5.3 % higher. At 280 K, the values of CLTE for PE-graphenewere(25–35) % lower compared to PE, but at 320 K, they were (11–17) %higher. Nonlinear two-parameter dependencies of the mechanical andthermophysicalproperties of PE-CNT and PE-graphene in the temperature range of (280–320)Kandthe filler volume fractions (0–2.0 %) and (0–1.5 %), respectively, were obtained.Forthe development of new nanocomposite materials, it is no longer necessaryto perform complex and lengthy numerical experiments based on MDmodeling. Thisset of properties is needed for modeling the thermo-elasto-plastic stateof PE-CNTand PE-graphene nanocomposite products under operational conditionsinacontinuum approximation. Using the results of MD modeling of the annealing of molecular PE, PE-CNT,and PE-graphene systems under the isothermal-isobaric NPT ensemble, theglasstransition temperatures of these materials were determined by analyzingtheirfunctional dependencies of volume change with temperature. It was foundthatforPE-CNT nanocomposites, the glass transition temperature increases withthefillercontent, while for PE-graphene nanocomposites, it decreases. Mathematical models were formulated, and corresponding numerical modelswere developed for the stress-strain state tasks for testing PE-CNTnanocompositematerials with functionalized CNT in an isotropic mediumapproximation. Researchwas conducted on the effective mechanical properties of PE-CNTnanocompositeswith various volume fractions and random placement of functionalizedCNTsofdifferent lengths in the polymer matrix. To determine the effectivemechanicalproperties of PE-CNT nanocomposites based on numerical stress-strainstatemodeling of samples, two methods were used, providing converging resultsforshortCNTs: the difference in effective elastic modulus values at α = 0.69 %is 0.1%,andat α = 2.06 %, it is 0.8 %. The mesh convergence of the developed numerical modelswas studied using a double recalculation method. It was established that accordingtonumerical modeling, the error in determining the elastic modulus does not exceed0.2 %, and the Poisson's ratio error is 0.023 %. Based on a comparison of the obtained values with the results of moleculardynamics modeling of PE-CNT nanocomposites with CNTvolumefractionsα≤2.08 %, it was determined that functionalization of short CNTs inPE-CNTnanocomposites does not lead to an increase in the elastic modulus. This maybedueto a significant reduction, more than twice, in the elastic modulus of functionalizedCNTs compared to non-functionalized ones due to the presence of vacancies, whichappear in the CNT structure during functionalization and have a greater impact onthe properties of short CNTs than long ones. Comparing the elastic modulusofpolyethylene samples reinforced with short and long CNTs, it was foundthatreinforcement with long CNTs increases the elastic modulus by 14.8%(1.17times)at a lower volume fraction of CNTs by 0.81 %. Tools in the form of mathematical models, theoretical researchmethodsforstudying the physical and mechanical properties of polymeric materials bymoleculardynamics and structural mechanics methods, and calculations for packagingthatusepolymer nanocomposite materials were developed. Recommendations weremadeforthe use of polymer nanocomposite materials in industrial productionandthepackaging industry. The efficiency of using PE-CNT nanocomposites insteadofPEin water supply pipes and containers for storing chemicals was determinedusingcorresponding comparative stress-strain state calculations. It was proposed to use filament from PETG-CNT nanocomposite (wherePETGis a modification of polyethylene terephthalate with added glycol, whichisstrongerand more heat-resistant than regular PET) for 3D printing by the layer-by-layerdeposition method. The use of PETG-CNT filament will improve themechanicalproperties of 3D-printed products compared to PETG, especiallyfor packagingcontainers made by spatial printing, and enhance adhesion betweenstrandsintheprinted items. The results of the dissertation were implemented into the educational processof the Department of Chemical, Polymer, and Silicate Engineering at Igor SikorskyKyiv Polytechnic Institute during the teaching of courses such as "ResearchandEngineering of Packaging Equipment", "Applied Problems of ContinuumMechanics",and "Scientific Work on the Topic of the Master's Thesis" for the specialty"131–Applied Mechanics", with a focus on "Packaging Engineering andPackagingEquipment". | |
| dc.format.extent | 176 с. | |
| dc.identifier.citation | Чолак, І. В. Визначення фізичних властивостей полімерних і композиційних матеріалів методами молекулярної динаміки і структурної механіки : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Чолак, Ірина Володимирівна. - Київ, 2025. - 176 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/73705 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | молекулярна динаміка | |
| dc.subject | структурна механіка | |
| dc.subject | полімери | |
| dc.subject | нанокомпозиційні матеріали | |
| dc.subject | поліетилен | |
| dc.subject | вуглецеві нанотрубки | |
| dc.subject | графен | |
| dc.subject | фізико-механічні властивості | |
| dc.subject | модуль пружності | |
| dc.subject | коефіцієнт Пуассона | |
| dc.subject | границятекучості | |
| dc.subject | теплопровідність | |
| dc.subject | теплоємність | |
| dc.subject | напружено-деформованийстан | |
| dc.subject | метод скінченних елементів | |
| dc.subject | molecular dynamics | |
| dc.subject | structural mechanics | |
| dc.subject | polymers | |
| dc.subject | nanocomposite materials | |
| dc.subject | polyethylene | |
| dc.subject | carbon nanotubes | |
| dc.subject | graphene | |
| dc.subject | physicaland mechanical properties | |
| dc.subject | modulus of elasticity | |
| dc.subject | Poisson's ratio | |
| dc.subject | yield strength | |
| dc.subject | thermalconductivity | |
| dc.subject | heat capacity | |
| dc.subject | stress-strain state | |
| dc.subject | finite element method | |
| dc.subject.udc | 678.07:004.94-026.5(048.83) | |
| dc.title | Визначення фізичних властивостей полімерних і композиційних матеріалів методами молекулярної динаміки і структурної механіки | |
| dc.title.alternative | Determination of the Physical Properties of PolymerandComposite Materials by Methods of Molecular Dynamics and Structural Mechanics | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: