自動車の車体などの構造物では、異なる材料を適切な場所に使用するマルチマテリアライゼーションが注目されています。
自動車の車体などの構造物では、異なる材料を適切な場所に使用するマルチマテリアライゼーションが注目されています。マルチマテリアライゼーションでは、異なる材料の接合が弱点であるため、異種材料の接合技術の進歩が求められています。特に金属と樹脂の接合では、接合界面でのナノスケールの相互作用が結合強度に大きな影響を与えます。そのため、結合の現象を実験で詳しく解明することはできないため、分子シミュレーション技術を用いた研究が進められています。
まず、どの電位を使うべきかを検証するために、軽金属であるAlと熱可塑性CFRPの基材となるPA6との接合部の剥離に、Reax電位とLJ電位を利用して分子動力学法を用います。( MD ) シミュレーションを使用して実行します。
AlとPA 6の接合では、Al酸化膜（α-Al）の界面で結合が行われたと仮定しました。 2 O 3) とPA 6、およびα-Al 2間の滑らかな界面の剥離シミュレーション O 3 そしてPA 6が実行されました。使用した電位はリード電位とLJ電位でした。α-AL 2 O 3 /PA 6 界面はα-Al上のPA 6を溶かして作られました 2 O 加熱シミュレーションによる3面。 剥離計算は、α-Alの一部（灰色の部分）に原子を固定して行いました。 2 O 3 そして、PA6の上部（青い部分）の原子に上向きの一定速度を与えます v z。 これらの計算には LAMMPS が使用されました。
PA6 : 重合回数 n = 10、比重:1.13
α-Al 2 O 3 : 水素による表面酸素の終結
図2は、それぞれReax電位とLJ電位（変形部分のひずみ量：0.0、0.1、0.2、1.0）を使用したシミュレーションのスナップショットです。どちらの電位を使用しても、界面の樹脂が剥がれたり割れたりすることでフラクチャーが発生していることがわかります。
各電位について計算したSS曲線を図3と図4に示します。Reax電位による計算では、一般的な樹脂で示されるようなSSカーブは得られませんでした。これは、Reaxポテンシャルの計算が重いためにモデルサイズが小さく、バルクサイズに対して樹脂が長すぎるためと考えられます。一方、LJポテンシャルに基づく計算では、ひずみが0.1程度のSSカーブが得られました。
図5に示すように、剥離強度は剥離速度に依存し、剥離速度が上がるにつれて剥離強度は増加します。これは、剥離速度が速いほどシステムを緩めずに張力が進み、システムがエネルギー的に不安定な軌道をたどるためと考えられます。この計算では、引っ張り速度は実際のシステムよりはるかに速いため、引張応力は実際のシステムよりも大きく計算されていると考えられます。
また、α-Alの効果を明らかにするため 2 O 3 /PA6界面、図6は1.7×10のひずみ速度の剥離シミュレーションから得られたSS曲線を示しています 10 そして同じひずみ速度でのPA6の引張シミュレーション。図に示されています。前述のように、実験よりも速い引張速度で計算を行ったため、樹脂の強度は実験値 (60～100MP) よりも大きい値を示しましたが、界面の存在により破壊強度が低下したことがわかります。
結合作用は、α-Alの結合状態と分離状態のエネルギー差から計算されました。 2 O 3とPA 6、およびを表2に示します。
計算したグルーワークは、実際よりも少し高い値を示しました。これは、実際の界面に存在するような大きな欠陥を含まないモデルのサイズが小さいことと、使用する電位が正確であることが原因と考えられます。
次に、それをDFT計算と比較して、それぞれのポテンシャルの妥当性を確認しました。DFT計算との比較は、α-AL間の距離時の相対エネルギーの変化を比較して行いました。 2 O 3 そして、PA6モノマーを図7のように変更しました。
表3は、DFT計算の計算条件を示しています。
図8は、各方法で計算された相対的なエネルギー変化を示しています。
DFT計算と比較すると、Reax電位による計算結果とDFTの誤差が大きく、電位パラメータに問題があることがわかりました。一方、LJポテンシャルはDFTカーブとは少し異なりますが、最小値と同じ結果になります。そのため、今回のケースではLJポテンシャルは実際のシステムに近い結果を示しました。そのため、LJポテンシャルを使って計算を行うことで、モデルを大きくしてより良い結果を得ることができると考えられます。
オリジナルソース: https://ctc-mi-solution.com/金属-樹脂の界面エネルギーおよび引張シミュレー/
