專利名稱：模擬含有填料粒子的橡膠混合物的變形的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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算機化方法，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。
背景技術(shù)：
一般來講，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劑。本技術(shù)領(lǐng)域普遍已知，這些填料粒子在橡膠混合物中的分散性會影響橡膠混合物的特性比如強度。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)進行橡膠混合物的模擬或者分析時，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。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種用于模擬含有填料粒子的橡膠混合物的變形的方法，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。本發(fā)明的方法能夠生成所述有限元模型，因此有可能進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)本發(fā)明，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，同時基于沿著穿過橡膠混合物樣品的電子束軸方向測量的視厚度，將掃描透射電子顯微鏡的焦點設(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器之間的距離優(yōu)選是8至150cm。因此，在本發(fā)明中，可以得到極為類似實際橡膠混合物的有限元模型。因此，基于這樣的有限元模型，通過進行變形計算，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1000Hz，橡膠混合物的粘彈性的實際測量變得很困難。反之，需要高于1000Hz的頻率，以便評估胎面膠混合物的抓地性能。然而，在本發(fā)明中，在超過1000Hz的周期應(yīng)變下進行評估是可能的。通過將焦點設(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。


圖1是橡膠混合物簡化實施例的橫截面顯微圖。圖2是用于說明本發(fā)明實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)本發(fā)明的方法中使用的掃描透射電子顯微鏡的示意圖。圖4是顯示用于暗場圖像的散射角限制孔徑的示意圖。圖5是用于說明使樣品傾斜的裝置的示意圖。圖6(a)是用于說明焦點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)是用于說明焦點位置的樣品的截面示意圖，選取的截面包括相對于入射面傾斜的電子束軸。圖7是截面示意圖，用于說明掃描透射電子顯微鏡的視場深度、顯微鏡的焦點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化實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化實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)系和實際測量值的曲線圖。
具體實施例方式現(xiàn)在結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施方式進行詳細(xì)描述。在本發(fā)明中，通過利用圖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，使用計算機，通過在有限元模型上進行變形計算，對橡膠混合物的變形進行模擬，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9。在樣品架6的中心部，電子束穿過孔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)過孔8。在樣品臺9的中心部，電子束穿過孔10沿著中心軸(0)形成并且與電子束經(jīng)過孔8連續(xù)，以使得透射電子7能夠經(jīng)過孔10。為了限制透射電子7的通過，顯微鏡100還在樣品臺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)置檢測器20，用于檢測經(jīng)過孔徑11的透射電子15。檢測器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)射穿過孔徑11的入射電子12的能量。光電倍增管14將來自閃爍器13的入射光轉(zhuǎn)化為電子信號。順便說一下，上述樣品臺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)。*作為分析對象的橡膠混合物在本發(fā)明中，待被模擬和分析的分析對象是橡膠混合物(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、硫化促進劑等。在該實施方式中，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顯示了實施作為本發(fā)明實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。順便說一下，具有樣品5的樣品架6被操作人員附接于樣品臺9。電子束2由電子槍I發(fā)出，并且被加速器(未顯示)加速并通過聚焦透鏡3聚焦，電子束2通過X軸方向和Y軸方向掃描線圈4X和4Y被掃描在樣品5上。
在有或者沒有散射的情況下穿過樣品5的電子7從樣品5的下表面逸出。逸出電子7穿過孔8和10至散射角限制孔徑11，孔徑11允許具有特定散射角的電子通過。電子12經(jīng)過散射角限制孔徑11進入閃爍器13，借此以光形式重發(fā)射入射電子12的能量。然后通過伴隨的光電倍增管14，光被轉(zhuǎn)化為電子信號。通過放大器和A/D轉(zhuǎn)換器(未顯示)將電信號放大并且轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被傳遞至顯示器(未顯示)中，在該顯示器中，根據(jù)傳輸信號進行亮度調(diào)制，并且反映樣品5內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電子束透射圖像被顯示為STEM圖像，并且同時，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被儲存在計算機的存儲器中。這樣，獲得多個對應(yīng)于各掃描位置的STEM圖像，形成STEM圖像數(shù)據(jù)集。逸出電子7的強度和散射角依據(jù)樣品5的內(nèi)部狀態(tài)、厚度和/或原子種類而改變。散射角還可通過加速電壓而變化。例如，如果加速電壓降低，那么電子在樣品5中散射更多，并且從樣品5下表面相對于中心軸(0)的散射角或者逸出角度會增加。如圖4所示，散射角限制孔徑11可以在其中心設(shè)置掩模遮蔽板17，用于進一步限制電子7的通過，雖然圖3所示的實例沒有設(shè)置這樣的掩模遮蔽板。一般來講，當(dāng)不使用附加的掩模遮蔽板時，電子束透射圖像會變成亮視場像(bright-field image),但是如果使用掩模遮蔽板，其就會變成暗場圖像(dark-field image)。為了產(chǎn)生清楚的圖像，照相機長度LI，即樣品5和閃爍器13間的距離，優(yōu)選被設(shè)定在8至150cm的范圍內(nèi)。取決于樣品5，用于電子束的加速電壓可以被設(shè)定在100至3000kV的范圍內(nèi)。在本實施方式的STEM圖像獲得步驟SI中，相對于掃描透射電子顯微鏡100的中心軸(0)從不同的角度攝取橡膠混合物(C)的多個圖像。為該目的，在顯微鏡100上設(shè)置樣品傾斜裝置(未顯示)，以便使樣品5可相對于中心軸(0)傾斜。如圖5所示，使用該裝置能夠使樣品5相對于水平面H保持在不同的傾斜角度0。在本實施方式中，計算機向樣品傾斜裝置輸出控制信號，該裝置根據(jù)此信號使樣品5以特定的角度0傾斜。樣品5的角度0變化范圍是-90°至+90°，優(yōu)選-70°至+70°。然而，如果樣品5是圓棒狀的橡膠混合物，角度0的變化范圍可以是-180°至+180°。首先，樣品5被傾斜在測量啟動角度e，在該傾斜狀態(tài)下，按如上所述方法獲得其STEM圖像或者數(shù)據(jù)集。然后，為了清楚而有效地獲得在下文述及的切片圖像，以0.5°至4°、優(yōu)選1°至2°為單位改變樣品5的傾斜角度，并獲得樣品5在該傾斜角度處的STEM圖像的數(shù)據(jù)集，重復(fù)進行上述過程，直至測量終了角度e為止。借此，得到了樣品在不同傾斜角度處傾斜的STEM圖像的數(shù)據(jù)集。順便說一下，通過使用控制器，能夠在顯微鏡上任意地設(shè)定測量啟動角度0和測量終了角度e。本實施方式中，測量啟動角度e是+70°，并且測量終了角度0是-70°。通常，電子束(e)的焦點F被設(shè)定在樣品5的上表面5a。在該情況下，有可能在樣品5的下表面5b附近得不到清楚的圖像。例如，如圖7所示，如果樣品5的厚度(t)是lOOOnm、顯微鏡的景深(cbpth of field) (f)是1200nm (或者+/_600nm)、并且焦點F被設(shè)定在樣品5的表面5a，那么樣品5的厚度為400nm的下部B是在視場深度外側(cè)，因此得不到下部B的清楚圖像。隨著厚度(t)增加，這一問題容易發(fā)生。因此，如圖6(a)所示，在本實施方式中，電子束(e)的焦點F被設(shè)定在樣品5的厚度中心區(qū)域C中。借此，樣品5中可以得到清楚圖像的范圍會增加。優(yōu)選景深(f)能夠完全地重疊或者包括樣品5的厚度(t)。在圖6(a)中，樣品5的上表面5a和下表面5b垂直于電子束軸(即，入射角等于90。)。在圖6(b)中，樣品5的上表面5a和下表面5b相對于電子束軸傾斜(即，入射角不等于90° )。在這樣的傾斜狀態(tài)下，沿著電子束軸測量的樣品5的厚度被稱為視厚度(t')，其和垂直于上表面5a測量的實際厚度(t)形成對比。由真實厚度⑴和入射角，按如下公式可以得到視厚度視厚度(t')=實際厚度(t)/sin (入射角)。優(yōu)選，焦點F被設(shè)定在中心區(qū)域C內(nèi)，中心區(qū)域C的范圍為實際厚度/視厚度30%、優(yōu)選20%、更優(yōu)選10%。該中心區(qū)域C可以偏離中心，但優(yōu)選其中心在實際厚度/視厚度的中心。通常，實際厚度(t)可以少于200nm，但是優(yōu)選設(shè)定在200至1500nm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選500至lOOOnm。通過增加厚度(t)接近1500nm，能夠精確地模擬包含直徑200nm以上緊密簇的填料粒子的分散性。順便說一下，利用顯微鏡系統(tǒng)100的焦點調(diào)節(jié)器，可通過聚焦透鏡3和/或樣品臺9來調(diào)節(jié)焦點F。**三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)步驟S2在該步驟S2中，使用計算機，通過執(zhí)行層析成像方法，由在步驟SI中獲得的STEM圖像的數(shù)據(jù)集，可將橡膠混合物的三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(在下文中稱作“3D數(shù)據(jù)集”)，并且將3D數(shù)據(jù)集儲存在計算機的存儲器中。至于STEM圖像的數(shù)據(jù)集，能夠優(yōu)選使用那些按如上所述方法通過改變樣品5的傾斜角度而獲得的數(shù)據(jù)集。但是，也可以使用那些不通過改變傾斜角度而獲得的數(shù)據(jù)集，即以樣品5單一的傾斜角度、優(yōu)選相對于顯微鏡100的中心軸(0)為0°而獲得的數(shù)據(jù)集。計算機能夠由3D數(shù)據(jù)集產(chǎn)生并輸出各種圖像作為可視信息和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。圖8顯示這樣產(chǎn)生的圖像，其為分散在橡膠混合物中的填料粒子的透視圖。林切片圖像獲得步驟S3在該步驟S3中，通過計算機，由橡膠混合物的三維結(jié)構(gòu)的重構(gòu)3D數(shù)據(jù)集，可將沿著橡膠混合物(C)預(yù)先確定的截面攝取的橡膠混合物(C)的切片圖像重構(gòu)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(在下文中稱作“切片圖像數(shù)據(jù)集”)，并且將切片圖像數(shù)據(jù)集儲存在計算機的存儲器中。上述橡膠混合物預(yù)先確定的截面能夠根據(jù)在隨后的步驟S4中使用的坐標(biāo)系(笛卡爾坐標(biāo)系、或者極坐標(biāo)系、或者柱面坐標(biāo)系)被任意地確定。#有限元模型生成步驟S4在該步驟S4中，對切片圖像進行圖像處理，把切片圖像的整個區(qū)域分成橡膠組分區(qū)域(a)、填料粒子區(qū)域(b)和/或其他組分區(qū)域(如果有的話)。至于圖像處理方法，可以使用已知的方法，其中基于灰度級的閾值水平，鑒別切片圖像中的各個微型區(qū)域是否是橡膠區(qū)域、或者填料區(qū)域、或者其他區(qū)域(如果有的話)。以一個以上切片圖像中被分割的區(qū)域為基礎(chǔ)，生成橡膠混合物的有限元模型5a。這樣，生成的橡膠混合物的模型5a包含橡膠組分(a)區(qū)域21、多個填料粒子(b)區(qū)域22、以及其他組分區(qū)域(如果有的話)。在填料粒子區(qū)域22中，填料粒子(b)通常被離散化成有限數(shù)量的單元eb。在橡膠組分區(qū)域21中，橡膠組分(a)通常被離散化成有限數(shù)量的單元eb。圖9 (a)顯示了沿著對應(yīng)的切片圖像攝取的橡膠混合物模型5a中一小部分的截面圖，其中，陰影區(qū)域表示填料粒子區(qū)域22。圖9(b)是其放大圖，顯示了一些單元。在該實施例中，如圖所示，橡膠混合物模型5a是結(jié)構(gòu)格網(wǎng)模型，具有沿著X軸方向、y軸方向和Z軸方向(未顯示)間隔P相同的邊界GD (LI和L2)。通過使用多個切片圖像，能夠生成如圖10所示的三維有限元模型5a。通過使用一個切片圖像，能夠生成如圖9(a)所示的二維有限元模型5a。在網(wǎng)孔或者網(wǎng)格生成工藝中，例如，使用計算機，對網(wǎng)格(例如被構(gòu)造的網(wǎng)格)進行限定并且疊加到經(jīng)圖像加工后的切片圖像或圖像上面。對于網(wǎng)格中的每個單元(例如四邊形單元、六面體單元等等)，若橡膠組分區(qū)域、填料粒子區(qū)域和其他區(qū)域(如果有的話)中之一被計算為在涉及的單元中具有最高比例的區(qū)域或者體積，則該單元就被定義為具有所述最高比例的一個單元。即，計算機確定該單元是否屬于橡膠組分單元、還是填料粒子單元或者其他組分單元(如果有的話)。通過使用構(gòu)造后的格網(wǎng)模型，有可能快速地生成橡膠混合物模型5a。進一步地，因為網(wǎng)格生成是以由橡膠混合物的3D數(shù)據(jù)集精確地創(chuàng)建的切片圖像或圖像為基礎(chǔ)的，所以可以得到橡膠混合物的精確模型。在該步驟S4中，在單元eb上限定模擬或者通過利用數(shù)值分析方法例如有限元法等進行的數(shù)值分析所需要的信息。這些信息至少包括每個單元eb中節(jié)點(n)的標(biāo)號(index)和坐標(biāo)值。另外，在每個單元eb上，由涉及的單元表示的橡膠混合物部分的材料特性(材料特點)被定義。具體地講，在橡膠組分區(qū)域21和填料粒子區(qū)域22的每一個單元eb上，對應(yīng)于橡膠組分和填料粒子的物理性能的材料常數(shù)都被定義，并且被儲存在計算機的存儲器中作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。**應(yīng)力相關(guān)性定義步驟在該步驟中，為了精確地模擬橡膠混合物的變形，在橡膠組分區(qū)域21的單元上定義與橡膠組分應(yīng)變速率的應(yīng)力相關(guān)性。為了進行定義，可以使用在日本專利No. 4594043中公開的技術(shù)來改變分子鏈網(wǎng)絡(luò)理論中的參數(shù)。該步驟能夠作為從前述步驟S4中分出的步驟而被實施，但是優(yōu)選被并入步驟S4中。**模擬步驟S5在該步驟S5中，通過使用橡膠混合物的有限元模型5a，在特定條件下進行橡膠混合物的變形的模擬。為此目的，可以使用已知的方法，例如均化方法(漸近展開均化方法)
坐坐寸寸o比較試驗為了確認(rèn)根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點，進行比較試驗。
首先，對于STEM圖像獲得步驟SI和三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)步驟S2進行說明。使用的設(shè)備和材料如下所述。掃描透射電子顯微鏡日本電子株式會社的JEM-2100F顯微切片機Leica株式會社的 Ultramicrotome EM UC6[橡膠材料]100質(zhì)量份的丁苯橡膠(住友化學(xué)株式會社SBR1502)53. 2質(zhì)量份的二氧化娃(羅地亞日本有限公司115Gr)4. 4質(zhì)量份的硅烷偶聯(lián)劑(Si69)0. 5質(zhì)量份的硫(鶴見化學(xué)株式會社粉體硫)I質(zhì)量份的硫化促進劑A(大內(nèi)新興化學(xué)工業(yè)株式會社N0CCELER NS)I質(zhì)量份的硫化促進劑B (大內(nèi)新興化學(xué)工業(yè)株式會社N0CCELER D)使用班伯里密煉機，將除硫和硫化促進劑之外的材料在160°C下捏和4分鐘。然后，在捏和后的材料中加入硫和硫化促進劑，進一步使用開放輥式捏和機在100°C下捏和2分鐘，制備出原料橡膠混合物。生膠混合物在175°C下硫化30分鐘。使用超薄切片機，將硫化橡膠進行切片，制備出厚度為500nm的樣品。使用顯微鏡JEM-2100F的STEM模式(照相機長度LI = 150cm,加速電壓=200kV)，通過以每步改變1°的方式從-60°到+60°改變樣品的傾斜角度，獲得樣品的STEM圖像，其中在測試條件I的情況下，焦點被設(shè)定在樣品的厚度中心，并且在測試條件2的情況下，焦點被設(shè)定在樣品的上表面。根據(jù)在每種測試條件下獲得的STEM圖像的數(shù)據(jù)，重構(gòu)橡膠混合物的三維結(jié)構(gòu)的3D數(shù)據(jù)集。圖11顯示了在由3D數(shù)據(jù)集創(chuàng)建的每一個三維結(jié)構(gòu)中上部位置Al和下部位置A2處的切片圖像。所述上部位置Al和下部位置A2分別位于離上表面和下表面40nm處，如圖12所示。如圖所示，在測試條件2中，在下部位置處的圖像變得不清楚。然而，在測試條件I中，在下部位置處的圖像和在上部位置處的圖像變得清楚。上述圖8中所示的透視圖是由在測試條件I下獲得的3D數(shù)據(jù)集所創(chuàng)建的。基于在測試條件I下于下部位置A2處獲得的切片圖像，制備出由正方形單元組成、并且具有取決于應(yīng)變速率的應(yīng)力的二維橡膠混合物模型。更具體地說，根據(jù)在日本專利申請公開JP-P2006-138810A(對應(yīng)于US7292966，EP1657657，CN177669)中公開的方法，在橡膠混合物模型中的橡膠組分的本構(gòu)方程中，定義對應(yīng)于10mm/min和100mm/min的應(yīng)變速率的不同參數(shù)。然后，使用該橡膠混合物模型，進行拉伸變形模擬，得到在下列條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。最大拉伸應(yīng)變3mm拉伸應(yīng)變速率10mm/min 和 10Omm/mi n宏觀區(qū)域20mmx 20mm模擬結(jié)果與由橡膠混合物得到的實際測量值一起顯示在圖13中。如圖所示，模擬結(jié)果與實際測量值具有高度相關(guān)性。
權(quán)利要求
1.一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，進行橡膠混合物的變形模擬。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在STEM圖像獲得步驟中，掃描透射電子顯微鏡的焦點設(shè)定在橡膠混合物樣品的厚度中心區(qū)域內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在STEM圖像獲得步驟中，橡膠混合物樣品相對于掃描透射電子顯微鏡的中心軸傾斜，并且以橡膠混合物樣品的不同傾斜角度攝取STEM圖像，此時掃描透射電子顯微鏡的焦點設(shè)定在橡膠混合物樣品基于視厚度的厚度中心區(qū)域內(nèi)，所述視厚度是沿著穿過橡膠混合物樣品的電子束軸方向測量的。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，橡膠混合物樣品的厚度是200至1500nm。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，橡膠混合物樣品的厚度是200至1500nm，并且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器之間的距離是8 至 150cm。
全文摘要
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)，進行橡膠混合物的變形的模擬。
文檔編號G06F17/50GK102999655SQ20121030277
公開日2013年3月27日 申請日期2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者內(nèi)藤正登, 三好和加奈 申請人:住友橡膠工業(yè)株式會社