Чолак І. В. Визначення фізичних властивостей полімерних і композиційних матеріалів методами молекулярної динаміки і структурної механіки

Чолак І. В. Визначення фізичних властивостей полімерних і композиційних матеріалів методами молекулярної динаміки і структурної механіки. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертаційну роботу присвячено визначенню фізико-механічних властивостей полімерних і композиційних матеріалів методами молекулярної динаміки та структурної механіки перед їхнім синтезом, що необхідно для прогнозування їхньої ефективності при вирішенні конкретних завдань в умовах експлуатації наближених до реальних. Проведено аналітичний огляд сучасного стану досліджень фізико-механічних властивостей полімерних та композиційних матеріалів. Розглянуто програмне забезпечення та ряд силових полів, що використовуються для моделювання полімерів та полімерних нанокомпозиційних матеріалів (ПНКМ) методами молекулярної динаміки (МД), методи побудови молекулярних систем полімерів та композитів їх основі, способи врівноваження молекулярних моделей та подальшого моделювання фізико-механічних властивостей матеріалів. Встановлено, що методи числового моделювання є потужними інструментами для мінімізації витрати матеріальних ресурсів та тривалості розробки нових матеріалів, зокрема нанокомпозитів. Моделювання процесів у полімерах та полімерних нанокомпозитах перед їхнім синтезом за допомогою вказаних методів дає змогу дослідити поведінку матеріалів в наближених до реальних умовах експлуатації та визначити доцільність їхнього виробництва ще на етапі розробки. Розглянуто взаємозв’язок між методами молекулярної динаміки та структурної механіки через багатоступеневий підхід до комп’ютерного моделювання для розширення можливостей моделювання. Встановлено, що використання багатоступеневого підходу сприяє зменшенню використовуваних потужностей комп’ютера та розширює часові та просторові границі досліджуваних систем. З використанням програми LAMMPS проведено молекулярно-динамічне моделювання фізико-механічних властивостей поліетилену. Результати верифікації молекулярної моделі поліетилену (ПЕ) показали, що отримані дані МД моделювання або збігаються з наявними літературними даними, або наближені до них. За аналогічними алгоритмами проведено теоретичні дослідження механічних властивостей нанокомпозитів поліетилен-вуглецеві нанотрубки (ПЕ-ВНТ) і ПЕ-графен методами молекулярної динаміки. Проведено молекулярно-динамічне моделювання теплофізичних властивостей нанокомпозитів ПЕ-ВНТ і ПЕ-графен, що включають: теплопровідність, масову ізобарну теплоємність, коефіцієнт лінійного температурного розширення (КЛТР) та температуру склування. Отримано нелінійні двопараметричні залежності механічних та теплофізичних властивостей ПЕ-ВНТ і ПЕ-графен у діапазоні зміни температур (280–320) К та об’ємної частки наповнювачів (0–2,0) % і (0–1,5) % відповідно. При цьому для розробки нових нанокомпозиційних матеріалів не потрібно виконувати достатньо складні й тривалі числові експерименти на базі МД моделювання. Вказаний комплекс властивостей потрібен для моделювання термо-пружно-пластичного стану виробів з нанокомпозитів ПЕ-ВНТ і ПЕ-графен в умовах експлуатації в континуальному наближенні. Сформульовано математичні та розроблено відповідні числові моделі задач напружено-деформованого стану для моделювання випробувань нанокомпозиційних матеріалів типу ПЕ-ВНТ з функціоналізованими ВНТ у наближенні ізотропного середовища. Виконано дослідження ефективних механічних властивостей нанокомпозитів ПЕ-ВНТ з різною об’ємною часткою та довільним розташуванням функціоналізованих ВНТ різної довжини в полімерній матриці. Розроблено інструменти у вигляді математичних моделей, методик теоретичних досліджень фізико-механічних властивостей полімерних матеріалів методами молекулярної динаміки і структурної механіки та розрахунку паковань, в яких застосовуються полімерні нанокомпозиційні матеріали. Розроблено рекомендації щодо використання полімерних нанокопозиційних матеріалів у промисловому виробництві та пакувальній індустрії. Визначено ефективність застосування нанокомпозиту ПЕ-ВНТ замість ПЕ у трубах для водопостачання та ємностях для зберігання хімікатів за допомогою відповідних порівняльних розрахунків напружено-деформованого стану. Результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальний процес кафедри хімічного, полімерного і силікатного машинобудування КПІ ім. Ігоря Сікорського під час викладання дисциплін «Дослідження та інжиніринг пакувального обладнання», «Прикладні проблеми механіки суцільних середовищ», «Наукова робота за темою магістерської дисертації» для спеціальності «131 – Прикладна механіка», спеціалізації «Інжиніринг паковань та пакувального обладнання».