模擬含有填料粒子的橡膠混合物的變形的方法技術(shù)

一種用于模擬含有填料粒子的橡膠混合物的變形的方法，包含如下步驟：通過(guò)利用掃描透射電子顯微鏡(STEM)，獲得橡膠混合物的STEM圖像的數(shù)據(jù)；以STEM圖像的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重構(gòu)橡膠混合物的三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集；以橡膠混合物的三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，生成橡膠混合物的有限元模型，以使得該模型包含被分成有限數(shù)量單元的橡膠組分區(qū)域、以及每一個(gè)都被分成有限數(shù)量單元的填料粒子區(qū)域；在橡膠組分單元上，定義取決于橡膠組分應(yīng)變速率的應(yīng)力；以及以有限元模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行橡膠混合物的變形的模擬。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種用于模擬含有填料粒子的橡膠混合物的變形的計(jì)算機(jī)化方法，更多具體地講，涉及一種用于生成能夠精確地模擬所述變形的橡膠混合物有限元模型的方法。
技術(shù)介紹
一般來(lái)講，在橡膠產(chǎn)品例如輪胎等中使用的橡膠混合物都含有填料例如炭黑、二氧化硅等作為增強(qiáng)劑。本
普遍已知，這些填料粒子在橡膠混合物中的分散性會(huì)影響橡膠混合物的特性比如強(qiáng)度。但是，還不清楚在橡膠混合物的特性與其內(nèi)填料粒子之間的全部詳細(xì)關(guān)系。因此，當(dāng)進(jìn)行橡膠混合物的模擬或者分析時(shí)，重要的是要使用精確的橡膠混合物的有限元模型，其中填料粒子在實(shí)際的橡膠混合物中的分散性可被精確地復(fù)制。另一方面，取決于應(yīng)變速率，橡膠混合物通常會(huì)顯示出不同的粘彈性質(zhì)。因此，精確模擬以生成有限元模型也是很重要的，該有限元模型具有取決于橡膠混合物應(yīng)變速率的應(yīng)力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
因此，本專利技術(shù)的一個(gè)目的在于提供一種用于，其中在該橡膠混合物的有限元模型中可精確地模擬填料粒子的分散性和取決于應(yīng)變速率的應(yīng)力。本專利技術(shù)的方法能夠生成所述有限元模型，因此有可能進(jìn)行橡膠混合物變形的精確模擬和橡膠混合物的精確分析。根據(jù)本專利技術(shù)，一種用于模擬包含橡膠組分和填料粒子的橡膠混合物的變形的方法，包括下述步驟STEM圖像獲得步驟，其中，通過(guò)利用掃描透射電子顯微鏡(STEM)，獲得橡膠混合物的STEM圖像的數(shù)據(jù)；三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)步驟，其中，以STEM圖像的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重構(gòu)橡膠混合物的三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集；有限元模型生成步驟，其中，以橡膠混合物的三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，生成橡膠混合物的有限元模型，以使得該有限元模型包含被分成有限數(shù)量單元的橡膠組分區(qū)域、每個(gè)都被分成有限數(shù)量單元的填料粒子區(qū)域；應(yīng)力相關(guān)性定義步驟，其中在橡膠組分單元上定義與橡膠組分應(yīng)變速率的應(yīng)力相關(guān)性；以及 模擬步驟，其中，以有限元模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行橡膠混合物的變形的模擬。在STEM圖像獲得步驟中，掃描透射電子顯微鏡的焦點(diǎn)優(yōu)選被設(shè)定在橡膠混合物樣品的厚度中心區(qū)域內(nèi)。在STEM圖像獲得步驟中，優(yōu)選橡膠混合物樣品相對(duì)于掃描透射電子顯微鏡的中心軸傾斜，并且以不同的橡膠混合物樣品傾斜角度攝取STEM圖像，同時(shí)基于沿著穿過(guò)橡膠混合物樣品的電子束軸方向測(cè)量的視厚度，將掃描透射電子顯微鏡的焦點(diǎn)設(shè)定在橡膠混合物樣品的厚度中心區(qū)域內(nèi)。橡膠混合物樣品的厚度優(yōu)選是200至1500nm。在橡膠混合物樣品與用于掃描透射電子顯微鏡中透射電子的檢測(cè)器之間的距離優(yōu)選是8至150cm。因此，在本專利技術(shù)中，可以得到極為類似實(shí)際橡膠混合物的有限元模型。因此，基于這樣的有限元模型，通過(guò)進(jìn)行變形計(jì)算，可以得到精確的模擬結(jié)果。另外，由于定義了取決于應(yīng)變速率的應(yīng)力，可以得到可用于開發(fā)橡膠混合物的模擬結(jié)果。例如，如果向橡膠混合物施加的周期應(yīng)變的頻率超過(guò)1000Hz，橡膠混合物的粘彈性的實(shí)際測(cè)量變得很困難。反之，需要高于1000Hz的頻率，以便評(píng)估胎面膠混合物的抓地性能。然而，在本專利技術(shù)中，在超過(guò)1000Hz的周期應(yīng)變下進(jìn)行評(píng)估是可能的。通過(guò)將焦點(diǎn)設(shè)定在樣品的厚度中心區(qū)域內(nèi)，樣品中可以得到清楚圖像的范圍會(huì)增力口，借此有可能獲得其中填料粒子的分散性可被更精確地模擬的橡膠混合物模型。附圖說(shuō)明圖1是橡膠混合物簡(jiǎn)化實(shí)施例的橫截面顯微圖。圖2是用于說(shuō)明本專利技術(shù)實(shí)施方式用于模擬橡膠混合物變形的方法的流程圖。圖3是顯示在根據(jù)本專利技術(shù)的方法中使用的掃描透射電子顯微鏡的示意圖。圖4是顯示用于暗場(chǎng)圖像的散射角限制孔徑的示意圖。圖5是用于說(shuō)明使樣品傾斜的裝置的示意圖。圖6(a)是用于說(shuō)明焦點(diǎn)位置的樣品的截面示意圖，選取的截面包括垂直于入射面的電子束軸。圖6(b)是用于說(shuō)明焦點(diǎn)位置的樣品的截面示意圖，選取的截面包括相對(duì)于入射面傾斜的電子束軸。圖7是截面示意圖，用于說(shuō)明掃描透射電子顯微鏡的視場(chǎng)深度、顯微鏡的焦點(diǎn)位置和樣品厚度之間的關(guān)系。圖8是由橡膠混合物的三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集產(chǎn)生的透視圖。圖9(a)是顯示橡膠混合物簡(jiǎn)化實(shí)施例的有限元模型一小部分的示意圖。圖9 (b)是圖9 (a)的放大圖。圖10是顯示橡膠混合物簡(jiǎn)化實(shí)施例的三維有限元模型的透視圖。圖11顯示了在下文中述及的不同試驗(yàn)條件I和2下獲得的橡膠混合物樣品的上部位置和下部位置處的切片圖像。圖12是樣品的橫截面圖，用于說(shuō)明圖11中所述上部位置和下部位置。圖13是顯示作為模擬結(jié)果的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和實(shí)際測(cè)量值的曲線圖。具體實(shí)施例方式現(xiàn)在結(jié)合附圖，對(duì)本專利技術(shù)的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。在本專利技術(shù)中，通過(guò)利用圖3所示掃描透射電子顯微鏡100和電腦(未顯示)，生成橡膠混合物(C)的二維或三維有限元模型。然后，使用計(jì)算機(jī)，通過(guò)在有限元模型上進(jìn)行變形計(jì)算，對(duì)橡膠混合物的變形進(jìn)行模擬，以便分析橡膠混合物(C)。*掃描透射電子顯微鏡通常，掃描透射電子顯微鏡(STEM) 100包含電子槍1，其垂直于水平面并且能向下發(fā)射電子；聚焦透鏡3，用于將電子聚焦成電子束2射在橡膠混合物(c)的樣品5上；掃描線圈4，其包括X軸方向掃描線圈4X和Y軸方向掃描線圈4Y，用于沿X軸方向和Y軸方向偏轉(zhuǎn)電子束2來(lái)掃描樣品5 ;用于保持樣品5的樣品架6 ；以及樣品架6可分離地固定在其上的樣品臺(tái)9。在樣品架6的中心部，電子束穿過(guò)孔8沿著掃描透射電子顯微鏡100的中心軸(0)形成，以使得穿透樣品5的透射電子7能夠經(jīng)過(guò)孔8。在樣品臺(tái)9的中心部，電子束穿過(guò)孔10沿著中心軸(0)形成并且與電子束經(jīng)過(guò)孔8連續(xù)，以使得透射電子7能夠經(jīng)過(guò)孔10。為了限制透射電子7的通過(guò)，顯微鏡100還在樣品臺(tái)9的下游側(cè)設(shè)置散射角限制孔徑11。此外，在散射角限制孔徑11的下游側(cè)，設(shè)置檢測(cè)器20，用于檢測(cè)經(jīng)過(guò)孔徑11的透射電子15。檢測(cè)器20包含閃爍器13和光電倍增管14。閃爍器13以光的形式重新發(fā)射穿過(guò)孔徑11的入射電子12的能量。光電倍增管14將來(lái)自閃爍器13的入射光轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)。順便說(shuō)一下，上述樣品臺(tái)9、散射角限制孔徑11、閃爍器13和光電倍增管14被設(shè)置在顯微鏡系統(tǒng)100的外殼主體(未顯不)的樣品室內(nèi)。*作為分析對(duì)象的橡膠混合物在本專利技術(shù)中，待被模擬和分析的分析對(duì)象是橡膠混合物(C)，如圖所示1，其包含作為基質(zhì)橡膠的橡膠組分(a)和分散在基質(zhì)橡膠中的填料粒子(b)。橡膠組分(a)可以是，例如天然橡膠(NR)、異戊二烯橡膠(IR)、丁基橡膠(IIR)，丁二烯橡膠(BR)、丁苯橡膠(SBR)、苯乙烯異戊二烯丁二烯橡膠(SIBR)、三元乙丙橡膠(EPDM)、氯丁橡膠(CR)、丙烯腈丁二烯橡膠(NBR)等。填料(b)可以是炭黑、二氧化硅、粘土、滑石、碳酸鎂、氫氧化鎂等。當(dāng)然，橡膠組分(a)和填料(b)并不限于這些實(shí)例。另外，可以在橡膠混合物(c)中加入各種添加劑，例如硫、硫化促進(jìn)劑等。在該實(shí)施方式中，具有恒定厚度(t)的橡膠混合物切片被用作上述樣品5。*模擬橡膠混合物的變形的方法圖2顯示了實(shí)施作為本專利技術(shù)實(shí)施方式的模擬方法的流程圖。該方法包括下述步驟S1-S5。**STEM圖像獲得步驟SI在該步驟SI中，通過(guò)利用掃描透射電子顯微鏡(STEM) 100，獲得橡膠混合物(C)的STEM圖像。順便說(shuō)一下，具有樣品5的樣品架6被操作人員附接于樣品臺(tái)9。電子束2由電子槍I發(fā)出，并且被加速器(未顯示)加速并通過(guò)聚焦透鏡3聚焦，電子束2通過(guò)X軸方向和Y軸方向掃描線圈4X和4Y被掃本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于模擬包含橡膠組分和填料粒子的橡膠混合物的變形的方法，包括下述步驟：STEM圖像獲得步驟，其中，通過(guò)利用掃描透射電子顯微鏡(STEM)獲得橡膠混合物的STEM圖像數(shù)據(jù)；三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)步驟，其中，基于STEM圖像數(shù)據(jù)，重構(gòu)橡膠混合物三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集；有限元模型生成步驟，其中，基于橡膠混合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集，生成橡膠混合物的有限元模型，使得該有限元模型包含被分成有限數(shù)量單元的橡膠組分區(qū)域、和各自被分成有限數(shù)量單元的填料粒子區(qū)域；應(yīng)力相關(guān)性定義步驟，其中在橡膠組分單元上定義與橡膠組分應(yīng)變速率的應(yīng)力相關(guān)性；以及模擬步驟，其中，基于有限元模型，進(jìn)行橡膠混合物的變形模擬。

【技術(shù)特征摘要】
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：內(nèi)藤正登，三好和加奈，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：住友橡膠工業(yè)株式會(huì)社，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：