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ポリマー中にナノ粒子を分散させたポリマーナノコンポジットの開発には、要求された機械的特性・熱的特性を満足するためにフィラー種の機械的特性を積極的に制御し、複合化による強化機構を定量的に制御することが求められる。本研究は、様々な機械的特性を持つフィラー種を対象とするナノコンポジットについてマルチスケール手法に基づく予測的モデリングの枠組みを構築する。さらに本手法の応用として、負の剛性材料をフィラーとして介在させた場合のコンポジット系の機械的特性に対する理解を得ることを最終目的とする。本年度は以下の成果が得られた。(a) 炭化水素系ポリマーおよびナノ粒子として主要な炭素、炭素化合物間の界面における相互作用を原子スケールから評価する枠組みを構築した。具体的には、原子間の結合相互作用および非結合相互作用を同時に考慮することが可能な反応性ボンドオーダーポテンシャルを採用し、原子シミュレーション手法により種々の温度・圧力条件におけるナノ粒子の相互作用性を評価した。また、高応力下におけるフィラー材料の変形特性の解析のために、第一原理密度汎関数法に基づく有限要素解析を採用し、非線形弾性大変形状態における構成関係を取り入れた高精度な評価を可能とした。またこれらの手法に関して、並列化等による解析の高速化を図った。(b) さらには、以上の知見に基づいたミクロスケールおよびメゾスケールにおけるフェーズフィールド法、動的密度汎関数法等を用いて、ポリマー母相中に添加物が分散された複合系における相形成過程について調べた。具体的には、添加物の化学的性質、分量等の影響による高分子複合系の秩序構造の遷移条件を明らかにした。
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