مطالعه تجربی و شبیه سازی عددی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت های متخلخل پلیمری تقویت شده با نانوذرات مزوپروس سیلیکا و هیدروکسی آپاتیت بر مبنای روابط محیط پیوسته

هدف از مدلسازی عددی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت¬ها در این پروژه، توصیف خواص مکانیکی از جمله خواص خمشی، قبل از انجام تست¬های عملی به منظور تحلیل خواص و کاهش هزینه تولید می¬باشد. در این تحقیق، جهت شبیه¬سازی جنس نمونه¬های نانوکامپوزیتی از روش محیط پیوسته (داده¬های آزمایشگاهی) استفاده می¬شود. بر این اساس، سه نوع نانوذره مختلف شامل نانوذرات متخلخل مزوپروس¬سیلیکا، نانوذرات هیدروکسی¬آپاتیت و ترکیب این دو نوع نانوذره به ماتریس پلی¬پروپیلن افزوده شدند. همچنین، عامل فوم¬کننده شیمیایی ازودی¬کربوکسامید به نانوکامپوزیت¬های ذکر¬شده و پلی¬پروپیلن خالص اضافه شد تا رفتار فومی نمونه¬ها بررسی گردد. نمونه¬ها از طریق اختلاط مذاب در دستگاه اکسترودر تولید شده و طبق استاندارد¬های مربوط به تست¬های کششی، خمشی و ضربه، قالبگیری تزریقی شدند. تست¬های مکانیکی شامل تست کشش، خمش و ضربه آیزود انجام شده و نتایج آنها نشان داد که افزودن نانوذرات، به خصوص ترکیب مزوپروس¬سیلیکا/هیدروکسی¬آپاتیت منجر به بهبود خواص مکانیکی می¬شود. از طرف دیگر، عامل فوم¬کننده موجب کاهش خواص کششی و ضربه و در مقابل، افزایش خواص خمشی می¬گردد. همان¬طور که انتظار می¬رود، نمونه¬های نانوکامپوزیت¬فوم نسبت به فوم پلی¬پروپیلن از خواص مکانیکی بالاتری برخوردار بودند. مشخصات ساختاری نمونه¬های تولیدشده به کمک آزمون پراش اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی تحلیل شدند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، پخش همگن ذرات مزوپروس¬سیلیکا و پخش ناهمگن ذرات هیدروکسی-آپاتیت را در ماتریس پلی¬پروپیلن نشان دادند. اما زمانی که از ترکیب دو نوع نانوذره استفاده شده، کلوخگی¬های کمتر و پخش بهتری نشان داده شده است که می¬تواند دلیلی برای بهبود خواص مکانیکی توسط این نانوذرات باشد. پس از انجام تست¬های مکانیکی، مدلسازی تست¬های کشش و خمش در نرم¬افزار المان محدود آباکوس بر مبنای روش هایپرالاستیک صورت گرفته است. به این صورت که در ابتدا با استفاده از داده¬های تست کشش، مدلسازی تست کشش تک¬محوری صورت گرفته و نتایج تنش- کرنش کششی استخراج می¬شود. در مرحله بعد، مدلسازی تست خمش با استفاده از داده¬های تست کشش انجام می¬شود. مقایسه نتایج به دست آمده از مدلسازی با داده¬های تست خمشی نشان داد که از این روش می¬توان در مدلسازی نانوکامپوزیت¬ها و فوم آنها با تقریب قابل قبولی استفاده نمود.