Morphology-Driven Nanofiller Size Measurement Integrated with Micromechanical Finite Element Analysis for Quantifying Interphase in Polymer Nanocomposites

材料科学 相间 纳米复合材料 复合材料 有限元法 微观力学 聚合物纳米复合材料 聚合物 形态学(生物学) 纳米技术 结构工程 复合数 遗传学 工程类 生物
作者
R. Mohsenzadeh,Behzad Hashemi Soudmand,Amirhossein Najafi,Fawwaz Hazzazi
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (30): 39927-39941 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsami.4c02797
摘要

This study focused on an innovative practical method using computer vision for particle size measurement, which serves as a key precursor for predicting the elastic modulus of polymer nanocomposites. This approach involved the morphological segmentation of the nanodispersed phase. It aimed, for the first time, to address the impractical conditions resulting from the assumption of idealized single-particle sizes in a monodispersed system during modeling. Subsequently, a micromechanical finite element framework was employed to determine the interphase thickness and modulus in ultrahigh molecular weight polyethylene/nanozeolite composites, following the quantification of nanoparticle sizes. The size measurement approach relied on morphological images extracted from scanning electron microscopy micrographs of impact-fractured surfaces. To compute the interphase thickness, experimental data was fitted to an interphase-inclusive upper-bound Hashin-Shtrikman model, with the measured average particle size per composition serving as a crucial input. Subsequently, the interphase elastic modulus was computed based on its thickness, employing a hybrid modified-Hashin-Hansen and Maxwell model. These estimated interfacial variables were then utilized as inputs for the finite element model to determine the tensile modulus. A comparison between the model results and measured data revealed a maximum discrepancy of 3.29%, indicating the effectiveness of the methodology employed in quantifying interfacial properties.
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