Finite element-based micromechanical modelling of phase interactions in filler reinforced elastomers

基于有限元的填料增强弹性体中相相互作用的微机械建模

基本信息

项目摘要

The performance of elastomer components such as tires, seals or bearings is significantly enhanced by the addition of filler particles leading to an increased stiffness of vulcanized compounds and an improvement of mechanical properties such as tensile and breaking strength, abrasion resistance and hardness. The influence of the fillers on the characteristic material behaviour significantly depends on the size and geometric form of the filler aggregates which vary under mechanical loading. Further important aspects are e.g. the surface activity and roughness of the fillers, the breakage and reformation of filler-filler bonds and the degree of interpenetration and pore-space filling between filler and polymer. Including these physical properties into a computational model at the micro scale we aim at a better understanding of phase interactions in filler reinforced elastomers. An advantage of the present finite element-based approach is its computational efficiency coupled with the possibility to study the influence of the abovementioned important physical parameters on the dynamic-mechanical material behaviour. Special attention is devoted to the formation of glassy bridges and bound rubber around the filler surface. Considering the glass transition temperature as a function of the distance to the filler surface the mechanical behaviour of the filler network can be well described. This step is crucial to estimate the dynamic-mechanical, the damage and finally the long-term behaviour of new rubber compounds.
添加填料颗粒可显着增强轮胎、密封件或轴承等弹性体部件的性能,从而提高硫化化合物的刚度,并改善拉伸和断裂强度、耐磨性和硬度等机械性能。填料对材料特性的影响很大程度上取决于填料聚集体的尺寸和几何形状,这些尺寸和几何形状在机械载荷下变化。进一步重要的方面是例如填料的表面活性和粗糙度、填料-填料键的破坏和重组以及填料和聚合物之间的相互渗透和孔隙空间填充的程度。将这些物理特性纳入微观尺度的计算模型中,我们的目的是更好地了解填料增强弹性体中的相相互作用。目前基于有限元的方法的优点是其计算效率以及研究上述重要物理参数对动态机械材料行为的影响的可能性。特别注意填料表面周围玻璃桥和粘合橡胶的形成。考虑到玻璃化转变温度是距填料表面距离的函数,可以很好地描述填料网络的机械行为。此步骤对于评估新橡胶化合物的动态机械、损伤以及最终的长期行为至关重要。

项目成果

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