Cholak I. Determination of the Physical Properties of Polymer and Composite Materials by Methods of Molecular Dynamics and Structural Mechanics

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0825U000961

Applicant for

Specialization

  • 131 - Прикладна механіка

Specialized Academic Board

PhD 8105

National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»

Essay

Cholak I. V. Determination of the Physical Properties of Polymer and Composite Materials by Methods of Molecular Dynamics and Structural Mechanics. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. The dissertation is devoted to the determination of the physical and mechanical properties of polymer and composite materials using molecular dynamics (MD) methods and structural mechanics before their synthesis, which is necessary for predicting their effectiveness in solving specific tasks under conditions close to real-world operations. An analytical review of the current state of research on the physical and mechanical properties of polymeric and composite materials was conducted. The software and various force fields used for modeling polymers and polymer nanocomposite materials (PNCMs) by MD methods, the techniques for building molecular systems of polymers and composites, and the ways of equilibrating molecular models for further simulation of the materials’ physical and mechanical properties were considered. It was established that numerical modeling methods are powerful tools for minimizing the consumption of material resources and the time required for the development of new materials, particularly nanocomposites. Modeling processes in polymers and polymer nanocomposites before their synthesis using the mentioned methods allows studying the behavior of materials under conditions approximating real operational environments and determining the feasibility of their production at the design stage. The relationship between molecular dynamics and structural mechanics methods was considered through a multiscale approach to enhance modeling capabilities. It was found that the use of a multiscale approach helps to reduce the computational power required and extends the temporal and spatial boundaries of the systems under study. Using the LAMMPS software, MD modeling of the physical and mechanical properties of polyethylene was carried out. The results of verifying the polyethylene (PE) molecular model showed that the MD simulation data either matched or were close to the available literature data. Theoretical studies of the mechanical properties of polyethylene-carbon nanotube (PE-CNT) and PE-graphene nanocomposites were carried out using similar algorithms. Molecular dynamics modeling of the thermophysical properties of PE-CNT and PE-graphene nanocomposites was conducted, including thermal conductivity, specific isobaric heat capacity, the coefficient of linear thermal expansion (CLTE), and the glass transition temperature. Nonlinear two-parameter dependencies of the mechanical and thermophysical properties of PE-CNT and PE-graphene in the temperature range of (280–320) K and the filler volume fractions (0–2.0 %) and (0–1.5 %), respectively, were obtained. For the development of new nanocomposite materials, it is no longer necessary to perform complex and lengthy numerical experiments based on MD modeling. This set of properties is needed for modeling the thermo-elasto-plastic state of PE-CNT and PE-graphene nanocomposite products under operational conditions in a continuum approximation. Mathematical models were formulated, and corresponding numerical models were developed for the stress-strain state tasks for testing PE-CNT nanocomposite materials with functionalized CNT in an isotropic medium approximation. Research was conducted on the effective mechanical properties of PE-CNT nanocomposites with various volume fractions and random placement of functionalized CNTs of different lengths in the polymer matrix. Tools in the form of mathematical models, theoretical research methods for studying the physical and mechanical properties of polymeric materials by molecular dynamics and structural mechanics methods, and calculations for packaging that use polymer nanocomposite materials were developed. Recommendations were made for the use of polymer nanocomposite materials in industrial production and the packaging industry. The efficiency of using PE-CNT nanocomposites instead of PE in water supply pipes and containers for storing chemicals was determined using corresponding comparative stress-strain state calculations. The results of the dissertation were implemented into the educational process of the Department of Chemical, Polymer, and Silicate Engineering at Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute during the teaching of courses such as "Research and Engineering of Packaging Equipment", "Applied Problems of Continuum Mechanics", and "Scientific Work on the Topic of the Master's Thesis" for the specialty "131 – Applied Mechanics", with a focus on "Packaging Engineering and Packaging Equipment".

Research papers

Омельчук (Чолак) І. В., Карвацький А. Я. Застосування молекулярно-динамічного моделювання для визначення фізико-хімічних властивостей полімерних та композитних матеріалів на їхній основі // Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2024. № 1. С. 128–137.

Омельчук (Чолак) І.В., Карвацький А.Я.. Визначення фізико-механічних властивостей поліетилену та полімерних нанокомпозитів методами молекулярної динаміки. Вісник Хмельницького національного університету. Серія: Технічні науки. 2024. Т. 335, № 3(1). С. 158–165.

Омельчук (Чолак) І.В., Карвацький А.Я. Визначення теплопровідності композиційних матеріалів з поліетиленовою матрицею методами молекулярної динаміки. Збірник наукових праць Національного університету кораблебудування. 2024. № 2 (495). С. 17–26.

Чолак І.В. Визначення механічних властивостей полімерних композиційних матеріалів методами структурної механіки. Вісник Хмельницького національного університету. Серія: Технічні науки. 2024. Т. 341, № 5, С. 162–167.

Чолак, І.В., Карвацький, А.Я. Прогнозування фізичних властивостей нанокомпозитів на основі поліетилену методами молекулярної динаміки. Технічні науки та технології. 2024. № 3 (37), С. 89–100.

Спосіб тривимірного друку виробів: пат. № 147783 U Україна, МПК (2017.01) B29C 64/10 / А.Я. Карвацький, І.О. Мікульонок, С.В. Лелека, В.В. Соловей, І.В. Омельчук (Чолак); заявник і патентовласник – КПІ ім. Ігоря Сікорського. № u202100801; заявл. 22.02.2021; опубл. 09.06.2021, Бюл. № 23/2021

Mathematical Modeling of Technological Regulations of Furnace Equipment for Carbon Graphite Electrode Production Leleka, S., Karvatskii, A., Mikulionok, I., Ivanenko, O., Omelchuk (Cholak), I. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2024, сторінки 286–295.

Омельчук (Чолак) І.В., Карвацький А.Я. Використання методу Гріна-Кубо для визначення теплопровідності полімерних нанокомпозиційних матеріалів. Ефективні процеси та обладнання хімічних виробництв та пакувальної техніки : збір. доп. XІХ Всеукр. наук. прак. конф., 13–14 червн. 2024 р., Київ. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024. С. 28–30.

Омельчук (Чолак) І.В., Карвацький А.Я. Числове моделювання фізичних властивостей зразків полімеру та полімерного нанокомпозиту молекулярного масштабу методами молекулярної динаміки. Ефективні процеси та обладнання хімічних виробництв та пакувальної техніки : збір. доп. XVIII Всеукр. наук. прак. конф., 20–21 грудня. 2023 р., Київ. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. С. 8–11.

Омельчук (Чолак) І.В., Карвацький А.Я. Оцінка фізико-механічних властивостей поліетилену методами молекулярної динаміки. Ефективні процеси та обладнання хімічних виробництв та пакувальної техніки : збір. доп. XVII Всеукр. наук. прак. конф., 14–15 червня. 2023 р., Київ. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. С. 22–25.

Омельчук (Чолак) І.В., Карвацький А.Я. Використання методів комп’ютерного моделювання для дослідження механічних властивостей поліетилену. Ефективні процеси та обладнання хімічних виробництв та пакувальної техніки : збір. доп. XVI Всеукр. наук. прак. конф., 12–13 грудня. 2022 р., Київ. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. С. 4–5.

Омельчук (Чолак) І.В., Карвацький А.Я. Використання методів комп’ютерного моделювання для дослідження поведінки полімерів, армувальних компонентів та композитних матеріалів на їх основі. Ефективні процеси та обладнання хімічних виробництв та пакувальної техніки : збір. доп. XV Всеукр. наук. прак. конф., 15–16 червня. 2022 р., Київ. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. С. 34–35.

Омельчук (Чолак) І.В., Соловей В.В. Числова оцінка можливості застосування наномодифікованих полімерів для виготовлення балонів для зберігання скрапленого газу. Ефективні процеси та обладнання хімічних виробництв та пакувальної техніки : збір. доп. XІІІ Всеукр. наук. прак. конф., 7–8 червня. 2021 р., Київ. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. С. 65–66.

Омельчук (Чолак) І.В., Карвацький А.Я. Визначення густини поліетилену методами молекулярної динаміки з використанням LAMMPS. Ефективні процеси та обладнання хімічних виробництв та пакувальної техніки : збір. доп. XІI Всеукр. наук. прак. конф., 10–11 грудня. 2020 р., Київ. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. С. 27.

Карвацький А. Я., Омельчук (Чолак), І. В., Мікульонок, І. О., & Витвицький, В. М. (2020). Дослідження властивостей полімерів методами молекулярної динаміки з використанням LAMMPS (огляд). Вісник НТУУ “КПІ імені Ігоря Сікорського”. Серія: Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження, (4), 17–28.

Соловей, В. В., Карвацький, А. Я., Лазарєв, Т. В., Мікульонок, І. О., & Омельчук (Чолак), І. В. (2021). Визначення механічних властивостей 3d-друкованих полімерних виробів методами структурної механіки. Вісник НТУУ “КПІ імені Ігоря Сікорського”. Серія: Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження, (2), 16–32.

Similar theses