Analysis of elastic deformation of amorphous polyethylene in uniaxial tensile test by using molecular dynamics simulation

• Autorzy: Le Tien-Thinh

Warianty tytułu

PL

Sprężyste odkształcenie amorficznego polietylenu w osiowosymetrycznej próbie rozciągania z zastosowaniem symulacji metodą dynamiki molekularnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, the linear elastic response to uniaxial tension of amorphous polyethylene was investigated by using Molecular Dynamics (MD) simulation. The polymeric system was initiated using a Monte Carlo-based technique and then equilibrated by a relaxation sequence at temperature of 100 K under a NPT control. Uniaxial tension test was carried out by modifying the corresponding component of the pressure tensor, with a loading rate of 0.5 bar/ps. The results showed that at 100 K (which is smaller than the glass transition temperature), the amorphous polymeric material exhibited a linear elastic response to uniaxial tension. The obtained Young’s modulus and Poisson’s ratio were also compared with values reported in the literature. Finally, parametric studies were performed on the stress-strain curve as a function of loading axis, number of chains and number of monomer units, respectively.

PL

W pracy przeprowadzono badania metodą dynamiki molekularnej sprężystej odpowiedzi amorficznego polietylenu w osiowosymetrycznej próbie rozciągania. System polimetryczny został zainicjowany metodą Monte Carlo a następnie zrównoważony poprzez relaksację w temperaturze 100 K ze sterowaniem NPT. Próby rozciągania przeprowadzono poprzez zmodyfikowanie odpowiedniej składowej tensora naprężeń, przyjmując prędkość obciążania 0.5 bar/ps. Wyniki wykazały, że w temperaturze 100 K (która jest niższa od temperatury zeszklenia), amorficzny polimer wykazuje liniową sprężystość w próbie rozciągania. Wyznaczone wartości modułu Younga i współczynnika Poissona zostały porównane z danymi literaturowymi. Wreszcie przeprowadzono parametryczną ocenę krzywych naprężenieodkształcenie w zależności od kierunku obciążenia, liczby łańcuchów oraz liczby jednostek monomeru.

Słowa kluczowe

EN

uniaxial tension; molecular dynamics simulation; amorphous polyethylene; elasticity

PL

symulacja dynamiki molekularnej; elastyczność

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 20, No. 2
• Strony: 38--44
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Le Tien-Thinh

• Université Paris-Est, Laboratoire Modélisation et Simulation Multi Echelle, MSME UMR 8208 CNRS, 5 bd Descartes, 77454 Marne-la-Vallée, France

Bibliografia

• Allen, M.P., Tildesley, D.J., 1989. Computer Simulation of Liquids, Clarendon Press.
• Brown, D., Marcadon, V., Mélé, P., Albérola, N.D., 2008. Effect of filler particle size on the properties of model nanocomposites, Macromolecules, 41(4), 1499–1511. https://doi.org/10.1021/ma701940j.
• Brown, D., Mélé, P., Marceau, S., Albérola, N.D., 2003, A molecular dynamics study of a model nanoparticle embedded in a polymer matrix, Macromolecules, 36(4), 1395–1406, https://doi.org/10.1021/ma020951s.
• Brown, D, Clarke, J.H.R., 1991, Molecular dynamics simulation of an amorphous polymer under tension. 1. Phenomenology, Macromolecules, 24(8), 2075-2078, https://doi.org/10.1021/ma00008a056.
• Capaldi, FM., Boyce, M.C., Rutledge, G.C., 2004, Molecular response of a glassy polymer to active deformation, Polymer, Modeling of Chain Conformations and Spatial Configurations, 45(4), 1391–99, https://doi.org/10.1016/j.polymer.2003.07.011.
• Depa, P.K., Maranas, J.K., 2007, Dynamic evolution in coarsegrained molecular dynamics simulations of polyethylene melts, The Journal of Chemical Physics, 126(5), 054903.https://doi.org/10.1063/1.2433724.
• Fang, Q, Tian, Y., Hong W., Jia, L., 2018, revealing the deformation mechanism of amorphous polyethylene subjected to cycle loading via molecular dynamics simulations, RSC Advances, 8(56), 32377-32386, https://doi.org/10.1039/C8RA05868G.
• Frenkel, D., Smit, B., 2001, Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. 2nd ed., Academic Press, San Diego.
• Hossain, D., Tschopp, M.A., Ward, D.K., Bouvard, J.L., Wang, P, Horstemeyer, M.F, 2010, Molecular dynamics simulations of deformation mechanisms of amorphous polyethylene, Polymer, 51(25): 6071–83, https://doi.org/10.1016/j.polymer.2010.10.009.
• Lavine, M.S., Waheed, N., Rutledge, G.C., 2003, Molecular dynamics simulation of orientation and crystallization of polyethylene during uniaxial extension, Polymer, 44(5): 1771-1779, https://doi.org/10.1016/ S0032-3861(03)00017-X.
• Liu, W.K., KarpovE.G., Park, H.S., 2006, Nano mechanics and materials: theory, multiscale methods and applications, 1st ed., Wiley, Chichester, Hoboken.
• Maillard, D., Kumar, S.K., Fragneaud, B., Kysar, J.W., Rungta, A., Benicewicz, B.C., Deng, H., Brinson, L.F., Douglas,2012, Mechanical properties of thin glassy polymer films filled with spherical polymer-grafted nanoparticles, Nano Letters, 12(8), 3909-3914, https://doi.org/10.1021/nl301792g.
• Marcadon, V., Brown, D., Hervé, E., Mélé, P., Albérola, N.D., Zaoui, A., 2013, Confrontation between Molecular Dynamics and micromechanical approaches to investigate particle size effects on the mechanical behaviour of polymer nanocomposites, Computational Materials Science, 79, 495–505.
• Nguyen, T.D., Plimpton, S.J., 2019, Aspherical particle models for molecular dynamics simulation, Computer Physics Communications, 243, 12–24, https://doi.org/10.1016/j.cpc. 2019.05.010.
• Rapaport, D.C., 2004, The art of molecular dynamics simulation, 2nd ed., Cambridge University Press, Cambridge, New York.
• Shepherd, J.E., McDowell, D.L., Jacob, K.I., 2006, Modeling morphology evolution and mechanical behavior during thermo-mechanical processing of semi-crystalline polymers, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 54,467-489, https://doi.org/10.1016/j.jmps.2005.10.003.
• Tschopp, M.A., Bouvard, J.L., Ward, D.K., Horstemeyer, M.F., 2011, atomic scale deformation mechanisms of amorphous polyethylene under tensile loading, 2011, Supplemental Proceedings, Vol 2: Materials Fabrication, Properties, Characterization and Modeling, John Wiley & Sons, Ltd., 789–794, https://doi.org/10.1002/9781118062142.ch95.
• Vu-Bac, N., Areias, P.M.A., Rabczuk, T., 2016, A multiscale multisurface constitutive model for the thermo-plastic behavior of polyethylene, Polymer, 2016, 105, 327-338.https://doi.org/10.1016/j.polymer.2016.10.039.
• Xia, W., Keten. 2015, Size-dependent mechanical behavior of free-standing glassy polymer thin films, Journal of Materials Research, 30(1), 36–45, https://doi.org/10.1557/jmr.2014.289.
• Yashiro, K., Ito, T., Tomita, Y., 2003, Molecular dynamics simulation of deformation behavior in amorphous polymer: nucleation of chain entanglements and network structure under uniaxial tension, International Journal of Mechanical Sciences, 45(11), 1863-1876, https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2003.11.001.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).