模拟含有填料粒子的橡胶混合物的变形的方法技术

一种用于模拟含有填料粒子的橡胶混合物的变形的方法，包含如下步骤：通过利用扫描透射电子显微镜(STEM)，获得橡胶混合物的STEM图像的数据；以STEM图像的数据为基础，重构橡胶混合物的三维结构的数据集；以橡胶混合物的三维结构的数据集为基础，生成橡胶混合物的有限元模型，以使得该模型包含被分成有限数量单元的橡胶组分区域、以及每一个都被分成有限数量单元的填料粒子区域；在橡胶组分单元上，定义取决于橡胶组分应变速率的应力；以及以有限元模型为基础，进行橡胶混合物的变形的模拟。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于模拟含有填料粒子的橡胶混合物的变形的计算机化方法，更多具体地讲，涉及一种用于生成能够精确地模拟所述变形的橡胶混合物有限元模型的方法。
技术介绍
一般来讲，在橡胶产品例如轮胎等中使用的橡胶混合物都含有填料例如炭黑、二氧化硅等作为增强剂。本
普遍已知，这些填料粒子在橡胶混合物中的分散性会影响橡胶混合物的特性比如强度。但是，还不清楚在橡胶混合物的特性与其内填料粒子之间的全部详细关系。因此，当进行橡胶混合物的模拟或者分析时，重要的是要使用精确的橡胶混合物的有限元模型，其中填料粒子在实际的橡胶混合物中的分散性可被精确地复制。另一方面，取决于应变速率，橡胶混合物通常会显示出不同的粘弹性质。因此，精确模拟以生成有限元模型也是很重要的，该有限元模型具有取决于橡胶混合物应变速率的应力。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的在于提供一种用于，其中在该橡胶混合物的有限元模型中可精确地模拟填料粒子的分散性和取决于应变速率的应力。本专利技术的方法能够生成所述有限元模型，因此有可能进行橡胶混合物变形的精确模拟和橡胶混合物的精确分析。根据本专利技术，一种用于模拟包含橡胶组分和填料粒子的橡胶混合物的变形的方法，包括下述步骤STEM图像获得步骤，其中，通过利用扫描透射电子显微镜(STEM)，获得橡胶混合物的STEM图像的数据；三维结构重构步骤，其中，以STEM图像的数据为基础，重构橡胶混合物的三维结构的数据集；有限元模型生成步骤，其中，以橡胶混合物的三维结构的数据集为基础，生成橡胶混合物的有限元模型，以使得该有限元模型包含被分成有限数量单元的橡胶组分区域、每个都被分成有限数量单元的填料粒子区域；应力相关性定义步骤，其中在橡胶组分单元上定义与橡胶组分应变速率的应力相关性；以及 模拟步骤，其中，以有限元模型为基础，进行橡胶混合物的变形的模拟。在STEM图像获得步骤中，扫描透射电子显微镜的焦点优选被设定在橡胶混合物样品的厚度中心区域内。在STEM图像获得步骤中，优选橡胶混合物样品相对于扫描透射电子显微镜的中心轴倾斜，并且以不同的橡胶混合物样品倾斜角度摄取STEM图像，同时基于沿着穿过橡胶混合物样品的电子束轴方向测量的视厚度，将扫描透射电子显微镜的焦点设定在橡胶混合物样品的厚度中心区域内。橡胶混合物样品的厚度优选是200至1500nm。在橡胶混合物样品与用于扫描透射电子显微镜中透射电子的检测器之间的距离优选是8至150cm。因此，在本专利技术中，可以得到极为类似实际橡胶混合物的有限元模型。因此，基于这样的有限元模型，通过进行变形计算，可以得到精确的模拟结果。另外，由于定义了取决于应变速率的应力，可以得到可用于开发橡胶混合物的模拟结果。例如，如果向橡胶混合物施加的周期应变的频率超过1000Hz，橡胶混合物的粘弹性的实际测量变得很困难。反之，需要高于1000Hz的频率，以便评估胎面胶混合物的抓地性能。然而，在本专利技术中，在超过1000Hz的周期应变下进行评估是可能的。通过将焦点设定在样品的厚度中心区域内，样品中可以得到清楚图像的范围会增力口，借此有可能获得其中填料粒子的分散性可被更精确地模拟的橡胶混合物模型。附图说明图1是橡胶混合物简化实施例的横截面显微图。图2是用于说明本专利技术实施方式用于模拟橡胶混合物变形的方法的流程图。图3是显示在根据本专利技术的方法中使用的扫描透射电子显微镜的示意图。图4是显示用于暗场图像的散射角限制孔径的示意图。图5是用于说明使样品倾斜的装置的示意图。图6(a)是用于说明焦点位置的样品的截面示意图，选取的截面包括垂直于入射面的电子束轴。图6(b)是用于说明焦点位置的样品的截面示意图，选取的截面包括相对于入射面倾斜的电子束轴。图7是截面示意图，用于说明扫描透射电子显微镜的视场深度、显微镜的焦点位置和样品厚度之间的关系。图8是由橡胶混合物的三维结构的数据集产生的透视图。图9(a)是显示橡胶混合物简化实施例的有限元模型一小部分的示意图。图9 (b)是图9 (a)的放大图。图10是显示橡胶混合物简化实施例的三维有限元模型的透视图。图11显示了在下文中述及的不同试验条件I和2下获得的橡胶混合物样品的上部位置和下部位置处的切片图像。图12是样品的横截面图，用于说明图11中所述上部位置和下部位置。图13是显示作为模拟结果的应力-应变关系和实际测量值的曲线图。具体实施例方式现在结合附图，对本专利技术的实施方式进行详细描述。在本专利技术中，通过利用图3所示扫描透射电子显微镜100和电脑(未显示)，生成橡胶混合物(C)的二维或三维有限元模型。然后，使用计算机，通过在有限元模型上进行变形计算，对橡胶混合物的变形进行模拟，以便分析橡胶混合物(C)。*扫描透射电子显微镜通常，扫描透射电子显微镜(STEM) 100包含电子枪1，其垂直于水平面并且能向下发射电子；聚焦透镜3，用于将电子聚焦成电子束2射在橡胶混合物(c)的样品5上；扫描线圈4，其包括X轴方向扫描线圈4X和Y轴方向扫描线圈4Y，用于沿X轴方向和Y轴方向偏转电子束2来扫描样品5 ;用于保持样品5的样品架6 ；以及样品架6可分离地固定在其上的样品台9。在样品架6的中心部，电子束穿过孔8沿着扫描透射电子显微镜100的中心轴(0)形成，以使得穿透样品5的透射电子7能够经过孔8。在样品台9的中心部，电子束穿过孔10沿着中心轴(0)形成并且与电子束经过孔8连续，以使得透射电子7能够经过孔10。为了限制透射电子7的通过，显微镜100还在样品台9的下游侧设置散射角限制孔径11。此外，在散射角限制孔径11的下游侧，设置检测器20，用于检测经过孔径11的透射电子15。检测器20包含闪烁器13和光电倍增管14。闪烁器13以光的形式重新发射穿过孔径11的入射电子12的能量。光电倍增管14将来自闪烁器13的入射光转化为电子信号。顺便说一下，上述样品台9、散射角限制孔径11、闪烁器13和光电倍增管14被设置在显微镜系统100的外壳主体(未显不)的样品室内。*作为分析对象的橡胶混合物在本专利技术中，待被模拟和分析的分析对象是橡胶混合物(C)，如图所示1，其包含作为基质橡胶的橡胶组分(a)和分散在基质橡胶中的填料粒子(b)。橡胶组分(a)可以是，例如天然橡胶(NR)、异戊二烯橡胶(IR)、丁基橡胶(IIR)，丁二烯橡胶(BR)、丁苯橡胶(SBR)、苯乙烯异戊二烯丁二烯橡胶(SIBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、氯丁橡胶(CR)、丙烯腈丁二烯橡胶(NBR)等。填料(b)可以是炭黑、二氧化硅、粘土、滑石、碳酸镁、氢氧化镁等。当然，橡胶组分(a)和填料(b)并不限于这些实例。另外，可以在橡胶混合物(c)中加入各种添加剂，例如硫、硫化促进剂等。在该实施方式中，具有恒定厚度(t)的橡胶混合物切片被用作上述样品5。*模拟橡胶混合物的变形的方法图2显示了实施作为本专利技术实施方式的模拟方法的流程图。该方法包括下述步骤S1-S5。**STEM图像获得步骤SI在该步骤SI中，通过利用扫描透射电子显微镜(STEM) 100，获得橡胶混合物(C)的STEM图像。顺便说一下，具有样品5的样品架6被操作人员附接于样品台9。电子束2由电子枪I发出，并且被加速器(未显示)加速并通过聚焦透镜3聚焦，电子束2通过X轴方向和Y轴方向扫描线圈4X和4Y被扫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于模拟包含橡胶组分和填料粒子的橡胶混合物的变形的方法，包括下述步骤：STEM图像获得步骤，其中，通过利用扫描透射电子显微镜(STEM)获得橡胶混合物的STEM图像数据；三维结构重构步骤，其中，基于STEM图像数据，重构橡胶混合物三维结构的数据集；有限元模型生成步骤，其中，基于橡胶混合物的三维结构数据集，生成橡胶混合物的有限元模型，使得该有限元模型包含被分成有限数量单元的橡胶组分区域、和各自被分成有限数量单元的填料粒子区域；应力相关性定义步骤，其中在橡胶组分单元上定义与橡胶组分应变速率的应力相关性；以及模拟步骤，其中，基于有限元模型，进行橡胶混合物的变形模拟。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：内藤正登，三好和加奈，
申请(专利权)人：住友橡胶工业株式会社，
类型：发明
国别省市：