近年、構造物の軽量化を目的としたマルチマテリアライゼーションが注目されており ...
近年、構造物の軽量化を目的としたマルチマテリアライゼーションが注目されており、分子動力学計算を用いた金属-樹脂界面の強度解析から界面の微細構造を理解できるようになりました。強度を高めるために重要であることが分かってきました。ここでは、結合強度以外の重要な特性として、非平衡分子動力学法を用いて金属-樹脂界面の界面熱抵抗を解析する例を紹介します。Exabyte.ioには、金属-樹脂界面の複雑なモデルを簡単に作成したり、力場を設定したり、引張強度解析や熱伝導率解析などの計算条件を設定したりできるワークフローがあり、ユーザーは金属-樹脂界面を簡単に設定できます。のシミュレーションを行うことは可能です。
今回の樹脂分子は、熱可塑性樹脂であるPA6とMXD6（図1）、そしてAlでした。 2 O 3 金属表面として調べました。また、クリーンでアモルファスな表面もAlと見なしました。 2 O 3 つのサーフェス。
樹脂分子の繰り返し回数をn = 10に設定し、PA6の比重が1.13、MXD6の比重が1.22になるように計算セルを埋めました。樹脂分子の初期構造は曲がらない構造なので、シミュレーションの開始時に、表面方向 (z方向) の長さに余裕を持たせて分子を充填し、Z方向にセルを張って目的の比重が得られるようにします。構造は変形しながら緩みました (図2)。図 3 は、最終的に使用した計算モデルを示しています。
すべての分子動力学計算にはLAMMPSが使用され、樹脂分子にはOPLS-AAが使用され、力場と原子電荷の設定にはPolyPerGen [1] が使用されました。Al 2 O 3 にはバッキンガムポテンシャル [2] を使用し、樹脂分子と樹脂分子との相互作用にはUFFポテンシャル [3] を使用しました。 その アル 2 O 3 表面 。 さらに、熱伝導率を計算するための分子動力学計算条件を以下のステップで実行しました。
(1) セルを表面方向 (z方向) のみに変形させた場合のNPTアンサンブル (300K、1atm) による1nsの熱平衡
(2) NVTアンサンブルによる1ナノ秒の熱平衡 (300K、1気圧)
③ 温度勾配下で3nsの非平衡MD計算を行い、一定の熱流束を求めます。
④ 温度勾配下で1nsの非平衡MDを行い、熱伝導率を評価します。
図4は、熱伝導率計算の非平衡MD計算条件を示しています。
図5は、金属/樹脂界面の温度プロファイルの計算結果を示しています。PA6とMXD6を比較すると、MXD6の方が界面の温度ギャップが小さく、界面での熱伝達が良いことがわかります。つまり、MXD6の方が金属表面との密着性が優れているということです。Alが使われている場合を比較してみます。 2 O 3 表面がきれいな表面（結晶）で、アモルファスの場合、界面の温度ギャップが小さく、アモルファス表面の密着性が高いことが確認されました。
図6は、熱流束の時間変化の計算結果です。クリーン表面とアモルファス表面では、温度勾配によって発生する熱流束に大きな差はありませんでしたが、その結果、アモルファス表面の熱流束はアモルファス表面のほうが大きく、アモルファス表面は熱を樹脂に伝えました。伝わりやすいことがわかりました。
表1は、図5と図6から評価した樹脂の界面熱抵抗と熱伝導率の計算結果です。樹脂分子の熱伝導率は、PA6の実測値 (0.35～0.43) に近い値でした。PA6とMXD6の界面熱抵抗を比較すると、MXD6の方が熱抵抗が小さく、MXD6はアモルファス表面に対する熱抵抗がほとんどないことが確認されました。
[1] 矢部正明、森健一、上田和夫、武田正明、コンピュート潤一化学。ジョン。インターナショナル。2019年版、2018-0034
[2] Z. Hu、J. Shi、CH Turner、分子シミュレーション、2009、270-279
[3] AKラッペ、CJケースウィット、KSコルウェル、WAゴダードIII、WMスキッド、J.Am.ケム。Soc. 1992、114、10024-10035
オリジナルソース: https://ctc-mi-solution.com/非平衡分子動力学法を用いた金属-樹脂接合界面の/
