การพัฒนาแบบจำลองวัสดุของพื้นผิวน้ำไม่เกาะด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์

Development of material models of hydrophobic surfaces using finite element method

Name: กชกร ธนาคุณ

ThaSH: มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ -- วิทยานิพนธ์. วศ.ม. (วิศวกรรมเครื่องกล) 2562.

Classification :.LCCS: TA347.F5

ThaSH: มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. -- สาขาวิศวกรรมเครื่องกล -- วิทยานิพนธ์

ThaSH: ไฟไนต์เอลิเมนต์

ThaSH: โพลิไดเมทิลไซลอกเซน

Abstract: พื้นผิวน้ำไม่เกาะประกอบด้วยกลุ่มไมโครพิลลาร์ที่มีการจัดเรียงกันอย่างเป็นระเบียบ มักทำมาจากวัสดุโพลีไดเมทิลไซล๊อกเซน (polydimethysiloxane, PDMS) ซึ่งวัสดุนี้มีคุณสมบัติไฮโดรโฟบิกจึงส่งผลให้พื้นผิวน้ำไม่เกาะเกิดภาวะไม่ชอบน้ำมากยิ่งขึ้น งานวิจัยนี้มุ่งเน้นในการพิจารณาหาแบบจำลองวัสดุไฮเปอร์อิลาสติกที่เหมาะสมที่สุดในการอธิบายพฤติกรรมเชิงกลของไมโครพิลลาร์ซึ่งทำจากวัสดุ PDMS ภายใต้ภาระงานการเฉือน ค่าคงที่ของวัสดุ PDMS ได้จากการปรับเส้นโค้งของความเค้นและความเครียดทางวิศวกรรมจากการทดสอบการดึงแกนเดียว โดยแบบจำลองวัสดุที่นำมาพิจารณา ได้แก่ แบบจำลองวัสดุของนีโอ-ฮุกเกียน, มูนี่-ริฟลิน 3 และ 5 ตัวแปร, ออกเดน 1, 2 และ 3 เทอม, โยห์ อันดับที่ 1, 2 และ 3 และ อาร์รูดา-บอยส์ ด้วยโปรแกรม ANSYS Mechanical APDL เปรียบเทียบผลการวิเคราะห์ทางไฟไนต์เอลิเมนต์กับผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการของภาระงานการดึงแกนเดียวและการกดเฉือนด้วยวิธี pseudo R-squared อีกทั้งยังวิเคราะห์และเปรียบเทียบความแข็งแรงระหว่างไมโครพิลลาร์ซึ่งทำจากวัสดุ PDMS และไมโครพิลลาร์ชนิดแกนทำจากวัสดุโพลียูรีเทน อะคริเลต (polyurethane acrylate, PUA) และเคลือบด้วยวัสดุ PDMS ภายใต้ภาระงานการเฉือน จากการวิเคราะห์พบว่าแบบจำลองวัสดุที่เหมาะสมที่สุดในการวิเคราะห์วัสดุ PDMS ภายใต้ภาระงานการดึงแกนเดียวและการกดเฉือน คือ แบบจำลองของโยห์อันดับที่ 3 อย่างไรก็ตามการใช้แบบจำลองวัสดุนี้ในการวิเคราะห์การกดเฉือนนั้น จะต้องอยู่ภายใต้ขอบเขตเงื่อนไขของช่วงความเครียดต่ำ ๆ เท่านั้น และโครงสร้างไมโครพิลลาร์ชนิดแกนทำจากวัสดุ PUA เคลือบด้วยวัสดุ PDMS หนา 100 นาโนเมตรสามารถรับแรงเฉือนได้มากกว่าไมโครพิลลาร์ซึ่งทำจากวัสดุ PDMS เพียงอย่างเดียวถึง 8.67 เท่า โดยความหนาที่เหมาะสมที่สุดในการเคลือบวัสดุ PDMS บนแกนวัสดุ PUA คือ 100 นาโนเมตร Hydrophobic surface consists of a group of micropillars which were arranged in unique patterns. The well-known material which is used to fabricate micropillars is polydimethylsiloxane (PDMS). The roughness of the micropillars made of PDMS enhanced the hydrophobic property of the surface. The purpose of this research were to investigate the most suitable material model to describe the structural behaviors of the PDMS material under shear loadings and to improve the lateral strength of micropillar structures by using ANSYS Mechanical APDL. The PDMS material models were derived from the experimental data from uniaxial tensile test. The constitutive models which were used to investigate were Neo-Hookean, Mooney-Rivlin 3 and 5 parameters, Ogden (1, 2, 3 terms), Yeoh (1st, 2nd, 3rd order) and Arruda-Boyce models. The accuracies of the PDMS material model were evaluated and compared with experimental data from uniaxial tensile and punch-shear test by using pseudo R-squared method. Moreover, micropillars made of PUA core coated with PDMS were analyzed to compare their lateral strength under shear loading with the pure PDMS micropillar. As results shown that the most suitable material model to simulate both uniaxial tension and shear loadings was the Yeoh 3rd order; however, the accuracies would valid only small strain range for shear loadings. The lateral strength of PUA core coated with 100 nm-thick PDMS structure is 8.67-time of the pure PDMS micropillar structure and the optimal thickness in terms of satisfied strength and manufacturing cost of the PDMS coating is 100 nm.

Abstract: Hydrophobic surface consists of a group of micropillars which were arranged in unique patterns. The well-known material which is used to fabricate micropillars is polydimethylsiloxane (PDMS). The roughness of the micropillars made of PDMS enhanced the hydrophobic property of the surface. The purpose of this research were to investigate the most suitable material model to describe the structural behaviors of the PDMS material under shear loadings and to improve the lateral strength of micropillar structures by using ANSYS Mechanical APDL. The PDMS material models were derived from the experimental data from uniaxial tensile test. The constitutive models which were used to investigate were Neo-Hookean, Mooney-Rivlin 3 and 5 parameters, Ogden (1, 2, 3 terms), Yeoh (1st, 2nd, 3rd order) and Arruda-Boyce models. The accuracies of the PDMS material model were evaluated and compared with experimental data from uniaxial tensile and punch-shear test by using pseudo R-squared method. Moreover, micropillars made of PUA core coated with PDMS were analyzed to compare their lateral strength under shear loading with the pure PDMS micropillar. As results shown that the most suitable material model to simulate both uniaxial tension and shear loadings was the Yeoh 3rd order; however, the accuracies would valid only small strain range for shear loadings. The lateral strength of PUA core coated with 100 nm-thick PDMS structure is 8.67-time of the pure PDMS micropillar structure and the optimal thickness in terms of satisfied strength and manufacturing cost of the PDMS coating is 100 nm.

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. สำนักหอสมุด

Address: กรุงเทพมหานคร

Email: tdckulib@ku.ac.th

Name: ธำรงค์ พุทธาพิทักษ์ผล

Role: อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์หลัก

Created: 2562

Modified: 2024-05-17

Issued: 2567-05-17

วิทยานิพนธ์/Thesis

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

URL: https://kasetsart.idm.oclc.org/login?url=http://www.lib.ku.ac.th/KUthesis/2562/kotchakorn-tha-all.pdf

CallNumber: TA347.F5.ก12

tha

DegreeName: วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต

Level: ปริญญาโท

Descipline: วิศวกรรมเครื่องกล

Grantor: มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

©copyrights มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	kotchakorn-tha-all.pdf	5.17 MB

ใช้เวลา

0.032498 วินาที