Insights into Mechanical Dynamics of Nanoscale Interfaces in Epoxy Composites Using Nanorheology Atomic Force Microscopy

材料科学 复合材料 环氧树脂 纳米复合材料 粘弹性 动态力学分析 韧性 纳米尺度 玻璃化转变 聚合物 聚合物纳米复合材料 纳米技术
作者
Hung K. Nguyen,Atsuomi Shundo,Makiko Ito,Bede Pittenger,Satoru Yamamoto,Keiji Tanaka,K. Nakajima
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (31): 38029-38038 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsami.3c06123
摘要

Interfacial polymer layers with nanoscale size play critical roles in dissipating the strain energy around cracks and defects in structural nanocomposites, thereby enhancing the material's fracture toughness. However, understanding how the intrinsic mechanical dynamics of the interfacial layer determine the toughening and reinforcement mechanisms in various polymer nanocomposites remains a major challenge. Here, by means of a recently developed nanorheology atomic force microscopy method, also known as nanoscale dynamic mechanical analysis (nDMA), we report direct mapping of dynamic mechanical responses at the interface of a model epoxy nanocomposite under the transition from a glassy to a rubbery state. We demonstrate a significant deviation in the dynamic moduli of the interface from matrix behavior. Interestingly, the sign of the deviation is observed to be reversed when the polymer changes from a glassy to a rubbery state, which provides an excellent explanation for the difference in the modulus reinforcement between glassy and rubbery epoxy nanocomposites. More importantly, nDMA loss tangent images unambiguously show an enhanced viscoelastic response at the interface compared to the bulk matrix in the glassy state. This observation can therefore provide important insights into the nanoscale toughening mechanism that occurs in epoxy nanocomposites due to viscoelastic energy dissipation at the interface.
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