A Study on the Development of Multiscale Bridging Method Considering the Particle Size and Concentration Effect of Nanocomposites

In this study, an efficient sequential bridging method to characterize both the particle size effect and concentration effect on the mechanical properties of nanocomposites at high volume fraction is suggested through a molecular dynamics(MD) simulations and micromechanics of composites materials. The Young's modulus and the shear modulus of the nanocomposites at various particle radius and at 12% volume fraction were obtained from MD simulations and multi-inclusion model was adopted to describe both modulus in continuum model. In order to describe the particle size effect, an additional phase, effective interface, was adopted as characteristic phase and the non-dilute concentration effect which appears at 12% volume fraction was describe via the variation of the elastic modulus of the infinite medium. Both the elastic modulus of the interface and infinite medium were fitted into functions of particle radius for the applicability of the present bridging method at various particle radii. Using the present bridging method the elastic modulus of the nanocomposites was efficiently obtained with accuracy. In addition, the effect of the interface thickness and modulus on the elastic modulus of the nanocomposite was investigated.

나노입자의 크기효과와 체적분율 효과를 동시 고려한 나노복합재의 멀티스케일 브리징 해석기법에 관한 연구

본 연구에서는 분자동역학 전산모사와 미시역학 모델을 이용하여 나노입자의 체적분율이 높은 경우 나노 입자의 크기효과와 체적분율 효과가 나노복합재의 기계적 물성에 미치는 영향을 효과적으로 묘사할 수 있는 순차적 브리징 해석기법을 제안하였다. 체적분율이 12%로 고정된 상태에서 나노입자의 크기변화에 따른 영률과 전단계수를 분자동역학 전산모사를 통해 예측한 후, 이를 연속체 모델에서 구현하기 위해 다중입자모델을 적용하였다. 나노입자의 크기효과를 반영하기 위해 입자와 기지 사이에 유효계면을 추가적인 상으로 도입하였고, 12%의 체적분율 조건에서 나타날 수 있는 체적분율 효과는 나노복합재를 둘러싸는 가상의 영역인 무한영역의 물성값의 변화를 통해 조절되도록 하였다. 유효계면과 무한영역의 물성을 입자의 반경에 대한 함수로 근사한 후 다양한 입자의 크기에서 나타나는 나노복합재의 물성변화의 예측이 가능하도록 하였다. 제안된 브리징 해석기법의 적용을 통해 분자동역학 해석결과와 잘 일치하는 결과를 연속체 모델에서 효율적이고 정확하게 얻을 수 있었다. 또한 유효계면의 두께와 물성 변화가 나노복합재의 기계적 물성에 미치는 영향을 고찰하였다.