Micromechanical modeling and experimental characterization of the non linear behavior of platelet-reinforced nanocomposites

Modélisation micromécanique et caractérisation expérimentale du comportement non linéaire de nanocomposites à renforts plaquettaires.

¹ Laboratoire de Mécanique de Lille, Boulevard Paul Langevin, 59655 Villeneuve d'Ascq, France
² Mech. Eng. Dpt., Indian Institute of Technology, HausKhaz, New Delhi, India

Corresponding author: ludovic.cauvin@ed.univ-lille1.fr

Received: 20 April 2009

Abstract

Nanocomposites with platelet reinforcements are emergent materials whose deformation mechanisms still need to be carefully investigated. In this study, we first present the studied class of nanocomposites (Polypropylene reinforced by Montmorillonite clay nanoplatelets). From uniaxial tensile tests, it is shown that some mechanical characteristics of the nanocomposite (Young's modulus, yield stress) significantly increase compared to the matrix even for very low volume fraction of reinforcements (maximum of 7% mass fraction for our tested specimen). The Ponte Castañeda and Willis [6] bound is adopted to account for the evolution of the elastic behavior of the material [7]. Adapting the Hill-type incremental method [13] allows the simulation of the non linear behaviour of the material. However, it is shown that this scheme requires careful choice of the aspect ratio, in the plastic domain, to provide good predictions of plasticity.

Résumé

Les nanocomposites à renforts plaquettaires sont des matériaux émergents dont la compréhension des mécanismes de déformation requiert encore des investigations spécifiques. Dans cette étude, nous présentons d'abord brièvement la classe de nanocomposite étudié (Polypropylène renforcé par des nanoplaquettes d'argiles de Montmorillonite). Les essais de traction uniaxiale réalisés sur ce matériau montrent une augmentation significative de différentes caractéristiques mécaniques (module de Young, seuil de plasticité) par rapport à la matrice, y compris pour de faibles taux de renforts (7% de fraction massique au maximum pour nos essais). Le schéma d'homogénéisation de Ponte Castañeda et Willis [6] a été adopté pour rendre compte de l'évolution des propriétés élastiques du matériau [7]. La mise en œuvre d'une adaptation de la méthode incrémentale de Hill [13] permet la simulation du comportement non linéaire du matériau. Cependant, celle-ci nécessite un choix judicieux du rapport d'aspect pour fournir de bons résultats en plasticité.