Визначення теплопровідності композиційних матеріалів з поліетиленовою матрицею методами молекулярної динаміки

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorОмельчук І. В.
dc.contributor.authorКарвацький А. Я.
dc.contributor.authorOmelchuk Iryna V.
dc.contributor.authorKarvatskii Anton Ya.
dc.date.accessioned2024-12-05T10:25:24Z
dc.date.available2024-12-05T10:25:24Z
dc.date.issued2024
dc.descriptionОмельчук, І. В. Визначення теплопровідності композиційних матеріалів з поліетиленовою матрицею методами молекулярної динаміки = Determination of thermal conductivity of composite materials with polyethylene matrix by molecular dynamics methods / І. В. Омельчук, А. Я. Карвацький // Зб. наук. пр. НУК. – Миколаїв : Гельветика, 2024. – № 2 (495). – С. 17–26.
dc.description.abstractВідомо, що створення нових композиційних матеріалів класичними методами є складною задачею, що пов’язана зі значними витратами матеріальних і часових ресурсів. Тому виникає потреба у застосуванні альтернативних підходів, до яких належать методи молекулярної динаміки (МД), що є потужним інструментом для теоретичного дослідження фізичних властивостей полімерних композиційних матеріалів ще на етапі їх розробки, тобто без створення експериментальних зразків. Мета. Визначення ефективної теплопровідності полімерних композиційних матеріалів з поліетиленовою (polyethylene (PE)) матрицею і армуючими наповнювачами із вуглецевих нанотрубок (carbon nanotubes (CNT) і графену (graphene (GR)) з використанням МД моделювання. Методика. У роботі використано метод Green–Kubo з рівноважним підходом МД, за яким тензор другого рангу теплопровідності молекулярної системи визначається за флуктуаційно-дисипаційною теоремою, в якій поєднується середнє значення за ансамблем автокореляції теплового потоку з теплопровідністю. Результати. З використанням LAMMPS здійснено МД моделювання ефективної теплопровідності – ¬eff молекулярних систем PE-pure і нанокомпозитів PE-CNT, PE-GR за різної об’ємної частки наповнювача – ¬ на інтервалі температур (275–350) К. Достовірність отриманих результатів МД підтверджено верифікацією через порівняння поточних даних теплопровідності PE-pure з експериментом. Показано, що різниця між експериментом і даними МД моделювання становить: за температури 275 К – - 4,9 %, а за 350 К – ¬ 0,8 % і залежність ¬eff T має спадаючий характер з ростом температури як і в експерименті. Також виконано порівняння даних МД моделювання ефективної теплопровідності PE-CNT і PE-GR з відповідними даними розрахованими за теоретичними залежностями для полімерних композиційних матеріалів. Встановлено, що теоретичні залежності дають занижені на (7–27) % значення ефективної теплопровідності порівняно з МД моделюванням. Наукова новизна. Отримано функціональні залежності ефективної теплопровідності PE-pure, PE-CNT і PE-GR від температури на інтервалі (275–325) К та різної об’ємної частки наповнювачів та залежності ¬ – eff за температури 293 К для PE-CNT і PE-GR. Практична значимість. Отримані дані з ефективної теплопровідності нанокомпозитів PE-CNT і PE-GR потрібні для розв’язання задач теплового стану та незв’язаної термопружності в умовах експлуатації виробів з нанокомпозиційних матеріалів в континуальному наближенні.
dc.description.abstract1The creation of new composite materials by classical methods is a difficult task, which is associated with significant costs of material and time resources. Therefore, there is a need to apply alternative approaches, including molecular dynamics (MD) methods. MD simulation is a powerful tool for theoretical research of the physical properties of polymer composites at the stage of their development without creating experimental samples. Purpose. Determination of the effective thermal conductivity of polymer composites consisted from polyethylene (PE) matrix and carbon nanotubes (CNT) or graphene (graphene (GR)) reinforsement using MD modeling. Method. The study utilizes the Green-Kubo method with an equilibrium MD approach, wherein the second-rank tensor of the thermal conductivity of the molecular system is determined by the fluctuation-dissipation theorem. This theorem combines the ensemble average of the autocorrelation of heat flow with thermal conductivity properties. Results. Using LAMMPS, MD simulations were conducted to model the effective thermal conductivity – ¬eff of PE-pure molecular systems and PE-CNT, PE-GR nanocomposites with varying filler volume fractions – ¬ over the temperature range of (275–350) K. The reliability of the MD results was confirmed through verification by comparing the current thermal conductivity data of PE-pure with experimental values. It was demonstrated that the difference between experiment and MD simulation data is: at 275 K – ¬ 4.9%, and at 350 K – ¬ 0.8%, with the dependence ¬eff – Texhibiting a decreasing trend as temperature increases, consistent with the experimental observations. Additionally, a comparison was made between the MD simulation data of the effective thermal conductivity of PE-CNT and PE-GR with corresponding values calculated using theoretical relationships for polymer composites. It was found that the theoretical relationships underestimate the effective thermal conductivity by (7–27)% compared to MD simulations. Scientific novelty. The functional dependences of the effective thermal conductivity of PE-pure, PE-CNT and PE-GR on temperature within the range (275–325) K and varying filler volume fraction were obtained, along with dependences ¬ eff at the temperature of 293 K for PE-CNT and PE-GR. Practical importance. The obtained data on the effective thermal conductivity of PE-CNT and PE-GR nanocomposites are essential to solving the problems of thermal state and unbounded thermoelasticity under the operational conditions of products made from nanocomposite materials in a continuum approximation.
dc.identifier.issn2311-3405 (Print)
dc.identifier.issn2313-0415 (Online)
dc.identifier.urihttps://eir.nuos.edu.ua/handle/123456789/9269
dc.language.isouk
dc.publisherГельветика
dc.relation.ispartofseriesУДК; 678.07:004.94-026.5(048.83)
dc.subjectнанокомпозит
dc.subjectполіетилен
dc.subjectвуглецеві нанотрубки
dc.subjectграфен
dc.subjectтеплопровідність
dc.subjectтермопружний стан
dc.subjectnanocomposite
dc.subjectpolyethylene
dc.subjectcarbon nanotubes
dc.subjectgraphene
dc.subjectthermal conductivity
dc.subjectthermoelastic state
dc.titleВизначення теплопровідності композиційних матеріалів з поліетиленовою матрицею методами молекулярної динаміки
dc.title.alternativeDetermination of thermal conductivity of composite materials with polyethylene matrix by molecular dynamics methods
dc.typeArticle

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Omelchuk.pdf
Розмір:
630.41 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
4.38 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

№ 2 (495) 2024