Multiscale Modeling-Based Assessment of Elastic Properties of SLGS-Polymer Nanocomposites with Double-Atom Vacancy Defects

Abstract

In this study, which is a continuation of our earlier work, the effect of double-atom vacancy defects (DAVD) on the elastic properties of single-layered graphene sheets (SLGS)-polymer nanocomposites is assessed by the multiscale modeling. According to the latter approach, the polymer matrix is modeled by finite element approach, while the SLGS and interphase layer are simulated at the atomistic scale by the molecular structural mechanics approach. In view of the Lennard–Jones potential concept, it is assumed that the SLGS and polymer matrix are related by van der Waals reciprocity. The fact that the elastic modulus of a polymer with 5% volume fraction of SLGS is increased by 17 times is demonstrated by numerous simulation results. It is also shown that the elastic modulus of SLGS-polymer nanocomposites with DAVDs is deteriorated with an increase in the number of DAVDs and improved with the increased volume fraction of SLGS.

В рамках ранее предложенного авторами подхода на основе мультимасштабного моделирования исследуется влияние двойных атомарных вакансионных дефектов на упругие свойства полимерных нанокомпозитов из однослойных листов графена. Моделирование полимерной матрицы осуществляется методом конечных элементов, а интерфазный слой и однослойный лист графена моделируются на атомарном уровне в рамках молекулярной структурной механики. На основании концепции потенциала Леннарда Джонса предполагается наличие зависимости ван дер Ваальса между свойствами однослойных листов графена и полимерной матрицы. Результаты численных расчетов показывают, что модуль упругости полимера можно увеличить в 17 раз за счет добавления 5%-ной объемной доли однослойного листа графена. Установлено, что при увеличении количества двойных атомарных вакансионных дефектов модуль упругости полимерных композитов из однослойными листами графена снижается, в то время как с ростом объемной доли однослойных листов графена наблюдается его повышение.

У рамках раніше запропонованого авторами підходу на основі мультимасштабного моделювання досліджується вплив подвійних атомарних вакансійних дефектів на пружні властивості полімерних нанокомпозитів з одношарових листів графена. Моделювання полімерної матриці виконано методом скінченних елементів, а інтерфазний шар і одношаровий лист графена моделюються на атомарному рівні в рамках молекулярної структурної механіки. На основі концепції потенціалу Леннарда Джонса припускається наявність залежності ван дер Ваальса між властивостями одношарових листів графена і полімерної матриці. Результати чисельних розрахунків показують, що модуль пружності полімеру можна збільшити в 17 разів за рахунок додання 5%-ної об ємної частки одношарового листа графена. Установлено, що з ростом кількості подвійних атомарних вакансійних дефектів модуль пружності полімерних композитів з одношаровими листами графена зменшується, в той час як зі зростанням об ємної частки одношарових листів графена відмічається його підвищення.