Multiscale study on viscoelastic and hysteresis friction behavior of elastomer

Abstract

In this dissertation, a systematic multiscale simulation framework is proposed to capture the viscoelastic and frictional behavior of natural rubber materials. To overcome the limitation of time and length scale in a convention atomistic molecular dynamics simulation, a coarse-grained mapping scheme is employed. With an extended applicable scale in the coarse-grained domain, the relaxation characteristics of natural rubber system can be accessed and quantified. For the unvulcanized natural rubbers, the effect of molecular weight on the time-dependent relaxation behavior is examined. Moreover, micro-structural changes in the bulk natural rubber are considered

vulcanization and silica nanofillers, those are relevant design parameters when producing rubber compounds as engineering applications. The coarse-grained molecular dynamics simulation results demonstrate that the relaxation characteristics of rubber are substantially influenced by the chain length. With increasing molecular weight of system, the relaxation time is also increased, which is manifested by a slowed relaxation spectrum. This feature becomes more obvious with the formation of vulcanized networks between the rubber chains. However, the effect of silica particles is relatively marginal due to a weak interfacial interaction with rubber matrix. From the relaxation spectra, the frequency-dependent dynamic modulus is calculated using the Fourier transformation. Thus, the storage and loss modulus in frequency domain are computed and compared with experimental results.

The frictional behavior of rubber exhibits a complex nature since various factors substantially alter the frictional feature, such as contact surface condition, roughness, velocity, material property, and temperature. Herein, the hysteresis friction characteristics attributed to the internal viscoelastic energy dissipation is examined when a rubber block slides on a hard rough substrate. Based on the viscoelastic properties obtained from the coarse-grained simulations, the hysteresis friction coefficients are predicted using an analytical approach depending on velocity, material property, normal pressure, and surface roughness. Moreover, the numerical simulation with a finite element model is conducted for the O-ring seal system to investigate the frictional response.

With the present multiscale framework, the viscoelastic behavior of natural rubber system can be assessed considering various design parameters. Plus, the hysteresis frictional feature of rubber is predicted with the consideration of a range of velocity and roughness length scale. Furthermore, the frictional response of rubber in contact with moving part can be examined via the numerical simulation approach.

본 논문에서는 고무의 점탄성 거동 및 이력 마찰 특성을 규명하기 위한 멀티스케일 해석 방법론을 제시한다. 기존의 분자동역학 전산모사는 고분자 재료의 물성을 예측하는데 큰 기여를 해왔지만, 시간과 공간 스케일의 한계로 이하여 메조스케일에 대한 특성을 다루는데 한계를 보여왔다. 본 연구에서는 여러 원자로 구성된 단위 구조를 가상의 입자로 치환하여 전체 시스템의 자유도를 줄임으로써 기존 분자동역학 전산모사의 시간/공간 스케일의 한계를 극복하는 축소 분자동역학 기법을 도입하였다. 이를 통해 확장된 시간/공간 스케일에서 고무의 시간에 따른 안정화 특성을 정량적으로 다룰 수 있으며 고무 재료의 점탄성 거동의 규명을 가능케 하였다. 이를 바탕으로 고무의 분자량과 가황 특성 및 실리카 강화입자 삽입에 따른 점탄성 거동의 변화를 도출하였다. 특히, 분자량 증가와 가황 과정은 고무의 시간에 따른 안정화 특성을 크게 변화시킴을 확인하였다. 반면, 실리카 입자에 대한 점탄성 거동의 변화는 크지 않다. 이는 실리카 입자와 고무의 약한 상호작용력에 기인한다. 축소 분자동역학 전산모사를 통해 도출된 시간에 따른 안정화 특성은 퓨리에 변환을 통해 주파수 영역에 대한 종탄성계수 및 손실계수를 제공한다.

탄성체의 마찰 특성은 마찰 표면 특성, 재료의 동적 물성, 속도, 온도 등에 영향을 받는다. 탄성체의 경우 이력 마찰 특성이 전체 마찰 특성을 좌우하게 되는데, 이는 마찰 과정에서 표면에서 발생하는 변형에 의한 에너지 소산과 관련이 있다. 본 연구에서는 축소 전산모사를 통해 도출된 동적 물성에 기반하여, 주어진 마찰 조건에서 이력 마찰 계수를 도출하였다. 이를 통해 탄성체의 마찰 특성을 종합적으로 규명할 수 있는 멀티스케일 해석 방법론을 정립하였다.

본 연구는 탄성체의 점탄성 특성 및 마찰 특성을 종합적으로 규명할 수 있는 해석 기반 멀티스케일 방법론을 제안함으로써 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 가능성을 제시한다. 표면과 맞닿아 작동하는 다양한 고분자 소재의 마찰 특성을 해석적 접근을 통해 순차적으로 규명할 수 있으므로 폭넓은 활용이 기대된다.