Виртуальный дизайн композитных материалов в BIOVIA Materials Studio
Композитный материал — это материал, состоящий из двух или более составляющих материалов со значительно различающимися физическими или химическими свойствами. В сочетании они производят материал с характеристиками, отличными от отдельных компонентов.
Первым современным композитным материалом было стекловолокно. Он до сих пор широко используется для изготовления корпусов лодок, спортивного инвентаря, строительных панелей и кузовов многих автомобилей. Матрица — пластик, а армирование — тонкие стеклянные нити, вплетенные в ткань. Само по себе стекло очень прочное, но хрупкое и может разбиться при резком сгибании. Пластиковая матрица скрепляет стекловолокна и защищает их от повреждений, распределяя действующие на них силы.
Сейчас мы производим некоторые передовые композиты с использованием углеродных волокон вместо стекла. Эти материалы легче и прочнее стекловолокна, но дороже в производстве. Мы используем их в конструкциях самолетов и дорогом спортивном оборудовании, например, в клюшках для гольфа.
Каковы преимущества и проблемы?
Самым большим преимуществом современных композитных материалов является то, что они легкие и прочные. Выбрав подходящую комбинацию матрицы и армирующего материала, можно создать новый материал, точно отвечающий требованиям конкретного применения. Композиты также обеспечивают гибкость дизайна, потому что многие из них можно формовать в сложные формы. Недостатком часто является стоимость и хотя полученный продукт более эффективен, сырье часто стоит дорого.
BIOVIA Materials Studio для передачи свойств материала
Как показано на рисунке 1, эпоксидные смолы являются основным материалом, используемым в композитах. На рисунке показан рабочий процесс, который рассчитывает молекулярные свойства эпоксидных смол с помощью моделирования на молекулярном уровне в BIOVIA Materials Studio, а затем передает зависящие от материала свойства, такие как температура стеклования и механические свойства, в метод конечных элементов SIMULIA Abaqus. Мы используем этот класс термореактивных смол в широком диапазоне применений, от клеев до герметиков, покрывающих агентов и многих других.
Прогнозирование свойств материала
Недавнее сотрудничество между учеными BIOVIA и научным сообществом привело к двум интересным публикациям, связанным с моделированием и экспериментами, направленными на прогнозирование конкретных свойств материала и понимание внутреннего явления сшивания смолы. В публикациях представлены две разные точки зрения на роль сшивки в стабильности материала эпоксидных смол.
Первая публикация описывает процесс отверждения, особенно зависимость неоднородности от времени отверждения. Крупнозернистое моделирование является ключевым процессом, необходимым для понимания этого явления. Вторая публикация посвящена адгезии эпоксидных смол к металлическим поверхностям. Ключевое наблюдение из этой статьи заключается в том, что если размер и / или форма составляющих молекул изменяются, состояния агрегации, такие как плотность, молекулярная ориентация и концентрация, также меняются; что влияет на замедление реакции отверждения и приводит к изменению прочности сцепления.
Эта проверенная заранее методология может использоваться для скрининга новых представляющих интерес материалов. Подключение химии к устройству — большой шаг в виртуальном дизайне новых функциональных материалов. Эти две публикации также содержат рекомендации для тех, кто интересуется виртуальными испытаниями, когда молекулярное моделирование создает свойства, которые можно использовать в макромасштабе для повышения предсказуемости свойств масштаба устройства.
Упрощенная методология молекулярной динамики
Автоматизированный рабочий процесс, показанный на рис. 2, сокращает утомительный процесс расчета свойств, необходимых для понимания сшивания, температуры стеклования и кривой напряжения-деформации, повышая производительность труда исследователя. Процесс также рационализирует механические свойства на основе первичной достоверности значений стеклования, полученных в ходе рабочего процесса. Мы построили общий рабочий процесс для расчета этих свойств с использованием методологии молекулярной динамики, которая значительно упрощает процесс расчета для лабораторного химика. Мы хотели дать возможность химику-лаборанту проверить эти свойства перед экспериментом, тем самым сократив время, усилия, деньги и ресурсы, необходимые для разработки функциональных композитов для конкретных применений.
Можно использовать сшитую аморфную структуру, построенную из исследуемого различного состава, для формирования сетчатой структуры, которая является ключевой для дизайна композитного материала. Таким образом, можно контролировать конверсию сшивания от 0% до 100% с течением времени, как показано на рисунке 3.
Ссылка на источник: 3ds.com