Modelação computacional multiescala de materiais poliméricos : comportamento mecânico à mesoescala

Abstract

O nível de desempenho e fiabilidade requerido para os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia está constantemente a aumentar. A indústria automóvel, aeronáutica, e de dispositivos médicos exigem especificações particularmente difíceis de satisfazer. Alguns materiais avançados de base polimérica, como polímeros nano estruturados, ou nanocompósitos de matriz polimérica utilizando nanofibras ou nanotubos de carbono, foram propostos como soluções potenciais. No entanto, em grande parte devido ao limitado conhecimento da física destes materiais ao nível molecular e micro estrutural, existem sérios obstáculos à optimização das suas propriedades. As ferramentas de modelação e simulação actualmente disponíveis não são capazes de prever adequadamente o comportamento mecânico e estimar em fase de projecto as propriedades destes materiais complexos. Em grande parte, isto deve-se aos fenómenos observados ao nível macroscópico serem o resultado da nano-estrutura do material e, provavelmente mais importante, serem significativamente afectadas pela evolução da nano-estrutura durante deformação. Abordagens com base em modelos multiescala, capazes de prever o comportamento macroscópico de materiais de base polimérica contemplando a micro-estrutura local do material, parecem promissores para este propósito. No entanto, estas abordagens requerem a integração de ferramentas de cálculo que operam em diferentes escalas. Embora à escala macroscópica as simulações com base no método de elementos finitos sejam consideradas altamente fiáveis, à nanoescala e à mesoescala os métodos estão muito menos consolidados, e é ainda necessário explorar que resultados são possíveis obter a estas escalas. Neste artigo apresentamos as principais abordagens multi-escala actualmente utilizadas, descrevemos como pretendemos utilizar a abordagem multi-escala para estudar materiais poliméricos, e descrevemos resultados do uso de um software de utilização livre para dinâmica molecular para estudar o comportamento mecânico destes materiais à mesoescala. Em trabalho subsequente, iremos fazer a ponte entre estes resultados e a macroescala, integrando as ferramentas de dinâmica molecular com ferramentas de elementos finitos.