ナノレオロジー原子間力顕微鏡を用いたエポキシ複合材料におけるナノスケール界面の力学的ダイナミクスの洞察

Insights into Mechanical Dynamics of Nanoscale Interfaces in Epoxy Composites Using Nanorheology Atomic Force Microscopy.

抄録

ナノスケールサイズの界面ポリマー層は、構造用ナノコンポジットの亀裂や欠陥周辺のひずみエネルギーを散逸させ、材料の破壊靭性を高める上で重要な役割を果たしている。しかし、界面層の本質的な力学的ダイナミクスが、様々なポリマーナノコンポジットの強靭化と強化メカニズムをどのように決定するかを理解することは、依然として大きな課題である。ここでは、最近開発されたナノレオロジー原子間力顕微鏡法（ナノスケール・ダイナミック・メカニカル・アナリシス（nDMA）としても知られる）を用いて、ガラス質状態からゴム質状態への遷移下におけるモデルエポキシナノコンポジットの界面における動的力学応答の直接マッピングについて報告する。その結果、界面の動的弾性率がマトリックスの挙動から大きく乖離していることが示された。興味深いことに、ポリマーがガラス状からゴム状に変化すると、その偏差の符号が逆転することが観察され、ガラス状とゴム状のエポキシナノコンポジットの弾性率補強の違いを見事に説明している。さらに重要なことに、nDMA損失正接画像は、ガラス状状態のバルクマトリックスと比較して、界面での粘弾性応答が向上していることを明確に示している。したがって、この観察は、界面での粘弾性エネルギー散逸によりエポキシナノコンポジットで起こるナノスケールの強靭化メカニズムについて重要な洞察を与えることができる。

Interfacial polymer layers with nanoscale size play critical roles in dissipating the strain energy around cracks and defects in structural nanocomposites, thereby enhancing the material's fracture toughness. However, understanding how the intrinsic mechanical dynamics of the interfacial layer determine the toughening and reinforcement mechanisms in various polymer nanocomposites remains a major challenge. Here, by means of a recently developed nanorheology atomic force microscopy method, also known as nanoscale dynamic mechanical analysis (nDMA), we report direct mapping of dynamic mechanical responses at the interface of a model epoxy nanocomposite under the transition from a glassy to a rubbery state. We demonstrate a significant deviation in the dynamic moduli of the interface from matrix behavior. Interestingly, the sign of the deviation is observed to be reversed when the polymer changes from a glassy to a rubbery state, which provides an excellent explanation for the difference in the modulus reinforcement between glassy and rubbery epoxy nanocomposites. More importantly, nDMA loss tangent images unambiguously show an enhanced viscoelastic response at the interface compared to the bulk matrix in the glassy state. This observation can therefore provide important insights into the nanoscale toughening mechanism that occurs in epoxy nanocomposites due to viscoelastic energy dissipation at the interface.