Numerical study of the heating effects of high intensity focused ultrasound on shape memory polymer fiber reinforced self-healing polymer composite

材料科学 热固性聚合物 复合材料 形状记忆聚合物 复合数 体积分数 纤维 聚合物 多物理 形状记忆合金 自愈 体积热力学 有限元法 结构工程 医学 替代医学 物理 病理 量子力学 工程类
作者
Obinna Nwokonkwo,Patrick Mensah,Samuel Ibekwe,Guoqiang Li
出处
期刊:Smart Materials and Structures [IOP Publishing]
卷期号:30 (8): 085026-085026 被引量:7
标识
DOI:10.1088/1361-665x/ac0dd0
摘要

In polymer composites, constrained shape recovery, either by shape memory polymer (SMP) matrix or embedded SMP fibers, is utilized to close wide-opened cracks, followed by molecular scale healing either extrinsically or intrinsically, the so-called close-then-heal strategy. The most popular means to trigger shape recovery and healing is by heating. In this study, the potential for using high intensity focused ultrasound as a trigger for shape memory effect and self-healing of an SMP fiber-reinforced thermosetting polymer composite was explored. The objectives of the study were achieved via a finite element simulation in COMSOL Multiphysics. Simulation results showed that for an 8 mm thick, 18 mm long model composite with 5.8% SMP fiber volume fraction, a temperature rise of up to 5.6 K was obtained in the embedded SMP fiber after 2 s with only 1 s of the insonation. It was found that heat generation occurred at the fiber–matrix interfaces; however, subsequent temperature rise within the embedded fibers was achieved via conventional thermal conduction from the high-temperature interfacial regions into the fibers. The effect of specimen length, thickness, and fiber volume fraction on temperature rising was also evaluated. This study provides a better understanding of using ultrasound to trigger self-healing of SMP fiber-reinforced polymer composites.

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