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.
通过添加填料颗粒,可显著增强轮胎、密封件或轴承等弹性体组件的性能,从而提高硫化化合物的刚度,并改善机械性能,如拉伸和断裂强度、耐磨性和硬度。填料对材料特性的影响主要取决于填料聚集体的尺寸和几何形状,它们在机械载荷下会发生变化。其它重要方面是例如填料的表面活性和粗糙度、填料-填料键的断裂和再形成以及填料和聚合物之间的互穿和孔隙填充程度。将这些物理性质纳入微观尺度的计算模型中,我们的目标是更好地理解填料增强弹性体中的相相互作用。本有限元为基础的方法的一个优点是它的计算效率,再加上研究上述重要的物理参数的动态力学材料行为的影响的可能性。特别注意的是,玻璃桥和结合橡胶周围的填料表面的形成。考虑到玻璃化转变温度作为到填料表面的距离的函数,可以很好地描述填料网络的机械行为。这一步对于评估新橡胶化合物的动态机械性能、损伤以及最终的长期性能至关重要。

项目成果

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