Prediction of elastic properties of polyurethane-infiltrated carbon foams

• Autorzy: Janus-Michalska M.

Warianty tytułu

PL

Numeryczne oszacowanie własności sprężystych kompozytowych pian węglowo-poliuretanowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents micromechanical approach to assessment of elastic properties of composite polyurethane-carbon foams. Analysis is based on specific choice of RVE combined with micro-macro transition. It leads to evaluation of strength and elastic constants of a composite. Foam behaviour is investigated numerically. Solid skeleton part shape is based on the tetrahedron cut out with spheres. 3D unit cell model is FE discetized. Calculations are performed for foams of selected densities using ABAQUS system. The comparison shows good agreement between the theoretical approach and experimental data. The presented method may be applied to design novel materials such as graphitized foam and nano composites and tailoring these materials for desired elastic properties.

PL

Artykuł przedstawia zastosowanie podejścia mikromechanicznego do oszacowania własności sprężystych kompozytowych pian poliuretanowo-węglowych. Analiza ośrodka sprężystego jest oparta na podejściu mikromechanicznym, które prowadzi do określenia własności sprężystych kontinuum, jakim jest materiał kompozytowy na podstawie reprezentatywnej komórki. Kształt szkieletu komórki jest oparty na czworościanie z wyciętymi sferami wypełnionymi innym materiałem. Obliczenia są przeprowadzone programem ABAQUS metodą elementów skończonych. Porównanie wyników numerycznych i eksperymentalnych dla wybranych gęstości pian wskazuje na dużą zgodność przewidywań teoretycznych z eksperymentem. Przedstawiona metoda może być użyta do projektowania pian kompozytowych o z góry zadanych własnościach sprężystych.

Słowa kluczowe

EN

composites; micromechanics; mechanical properties; polyurethane-infiltrated carbon foams

PL

modelowanie mikromechaniczne; własności sprężyste; poliuretanowo-węglowe piany kompozytowe

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Mechanics and Control
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 31, no. 3
• Strony: 97--101
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Janus-Michalska M.

• Institute of Structural Mechanics, Department of Civil Engineering Cracow University of Technology Cracow, Poland

Bibliografia

• 1. Beechem T., Lafdi K. 2006, Novel high strength graphitic foams, Carbon, 44, pp. 1548-1559.
• 2. Bunning T., Jeon H., Roy A., Kearns K., Farmer B., Adams W. 2003, Polyurethane infiltrated carbon foams: a coupling of thermal and mechanical properties, Journal of Applied Polymer Science.
• 3. Chong C., Kennel E., Stiller A., Stansberry P., Zondlo J. 2006, Carbon foam derived from various precursors, Carbon, 44, pp. 1535-1543.
• 4. Gibson L.J., Ashby M.F. 1982, The mechanics of three-dimensional cellular materials, Proc. Roy. Soc. Lond., A382, pp. 43-59.
• 5. Gibson L.J., Ashby M.F. 1998, Cellular Solids, 2nd ed., Cambridge University Press.
• 6. Janus-Michalska M., Pęcherski R. 2003, Macroscopic Properties of Open- Cell Foams Based on Micromechanical Modelling, Technische Mechanik, Band 23, Heft 2-4, pp. 234-244.
• 7. Kirca M., Gul A., Ekinci E., Yardim F., Mugan A. 2007, Computational modeling of micro-cellular carbon foams, Finite Elements in Analysis and Design, 44, pp. 45-52.
• 8. Mehrabadi M.M., Cowin C. 1990, Eigentensors of linear anisotropic elastic materials, Q. Journal Mech. Appl. Math., 43, pp. 15-41.
• 9. Mehta R., Anderson D., Hager J. 2003, Graphitic open-celled carbon foams: processing and characterization, Carbon, 41, pp. 2159-2179.
• 10. Menges G., Kipschild F. 1975, Estimation of mechanical properties for rigid polyurethane foams, Polymer Eng. Sci., 15, pp. 623-627.
• 11. Nemat-Nasser S., Hori M. 1999, Micromechanics, 2nd ed., Elsevier.
• 12. Roberts A.P., Garboczi E.J. 2002, Elastic properties of model random three-dimensional open-cell solids, J. Mech. Phys. Solids, 50, pp. 33-53.
• 13. Rychlewski J. 1995, Unconventional approach to linear elasticity, Arch. Mech., 47, pp. 149-171.
• 14. Sihn S., Roy A.K. 2004, Modeling and prediction of bulk properties of open-cell carbon foam, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 52, pp.167-191.
• 15. Wang Y., Cuitino A.M. 2000, Three-dimensional nonlinear open-cell foams with large deformations, J. Mech. Phys. Solids, 48, pp. 961-988.
• 16. Warren W.E., Kraynik A.M. 1987, Foam mechanics: the linear elastic response of two-dimensional spatially periodic cellular materials, Mechanics of Materials, 6, pp. 27-37.
• 17. Warren W.E., Kraynik A.M. 1988, The Linear Elastic Properties of Open- Cell Foams, J. Appl. Mech., 55, pp. 341-346.
• 18. Warren W.E., Kraynik A.M., 1997, Linear Elastic Behavior of a Low-Density Kelvin Foam with Open Cells, J. Appl. Mech., vol. 64, pp.787-794.
• 19. Wicklein M., Thoma K. 2005, Numerical investigations of the elastic and plastic behaviour of an open-cell aluminum foam, Materials Science and Engineering A, 397, pp. 391-399.
• 20. Zhu H.X., Knott J.F., Mills N.J. 1997, Analysis of the Elastic Properties of Open-Cell Foams with Tetrakaidecahedral Cells J. Mech. Phys. Solids, 45, pp. 319-343.