پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی

word
91
951 KB
32289
1388
کارشناسی ارشد
قیمت: ۱۱,۸۳۰ تومان
دانلود فایل
  • خلاصه
  • فهرست و منابع
  • خلاصه پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی

    پایان نامه کارشناسی ارشد

    مهندسی مکانیک – طراحی کاربردی

    چکیده

    در سالهای اخیر اکثر تحقیقات بر روی بارگذاری فشاری و ترکیبی به منظور بررسی کمانش ساختارهای نانولوله­ها متمرکز شده­اند و بدین منظور کارهای انجام گرفته بر روی بارگذاری کششی بسیار محدود می­باشد. از آنجا که نتایج بارگذاریهای فشاری و کششی در نانولوله­های کربن کاملاً متفاوتند (به دلیل اثر بر هم کنشهای دافعه و جاذبه در این ساختارها که ماهیت و مقدار متفاوتی دارند)، بنابراین همچنان کارهای تحقیقاتی بر روی این ساختارها تحت بار کششی مطلوب محققین بوده و هم اکنون نیز در حال بررسی می­باشد.

    نتایج این تحقیق که در حقیقت از یک تئوری تحلیلی قوی با ترکیب روابط انرژی کرنشی با پتانسیل­های انرژی مولکولی و نیز استفاده از تقریب­های خطی و مرتبه بالا و نیز مدل سازی نرم افزاری با استفاده از نرم­افزار تخصصی لمپس می­باشد اینگونه نشان می دهد که تغییرات مدول الاستیک با تغییرات قطر و یا اندیس نانولوله­ها نسبت عکس داشته و با افزایش قطر و کاهش اثر انحنا مدول الاستیک نانولوله­ها نیز کاهش می یابد. همچنین نمودارهای تنش – کرنش مشابه نمودارهای مواد ترد بوده با این تفاوت که درصد افزایش طول و تنش ماکزیمم بیشتری در آنها مشاهده می­شود. رفتار مکانیکی نانولوله­ها در مدل سازی نرم افزاری تا مرز شکسته شدن اولین پیوند در این ساختارها شبیه سازی شده است و اختلاف موجود در مقادیر تنش و کرنش بین مدل سازی نرم افزاری و نمودارهای روش تحلیلی ناشی از تاثیرات عوامل محیطی همچون دما و فشار، ناپایداری­های درون ساختاری در ناحیه غیر خطی و اثر پارامترهای طول، نرخ کرنش و ... بوده که مطابق با واقعیت و منطقی می­باشد.

    مقدمه

    پس از اولین آزمایش عملی در سال 1991 توسط ایجیما 1 ]1[ بر روی نانولوله­های کربن، اکثر توجهات به سمت این مواد و تخمین خواص مختلفشان کشیده شد. خواص مکانیکی بسیار بالا در مقابل وزن پائین، خواص الکتریکی و حرارتی عالی، از جمله خصوصیات منحصر به فردی هستند که نانولوله­های کربن را تبدیل به ساختارهایی بی بدیل در دنیای امروز و کانون توجه انواع علوم مهندسی به خصوص مهندسی مکانیک نموده اند. تحلیل مکانیک ساختاری این مواد و تخمین خواص مکانیکی آنها با استفاده از روشها و ایده­های مختلف تا به امروز همواره مورد توجه محققین بوده است. نتایج کلی­ این گونه نشان می دهد که از نظر مکانیکی نانولوله­های کربن مقاومت کششی در حدود 20 برابر فولادی با بالاترین مقاومت کششی در طبیعت و نیز مدول الاستیسیته (مدول یانگ) در حد تراپاسکال (TPa) را دارند. البته این خواص فوق العاده یک توجیه علمی مشخص نیز دارد و آن هم به دلیل هیبرید SP2 بسیار قوی پیوند کربن کربن در این ساختار است که قوی ترین نوع پیوند در طبیعت نیز می باشد. شخصی به نام کیان 2 ]2[ اخیراً گزارش داده که اضافه نمودن تنها 1 درصد وزنی نانو لوله کربن، باعث افزایش 25 درصدی مقاومت کششی فیلمهای کامپوزیتی زمینه پلی­استیرن می شود. در تخمین خصوصیات نانولوله­های کربن بسیاری از محققین از مدلهای محیط پیوسته، بخصوص مدل ورق پوسته­ای که با ساختار هندسی نانولوله­ها نیز تطابق خوبی دارد، استفاده کرده­اند. اگر چه این تئوریها محدودیتهایی را نیز به همراه دارند اما نتایج خوبی را در مقایسه با نتایج کارهای عملی و آزمایشگاهی از خود نشان داده اند، ضمن آنکه نسبت به سایر روشها بکارگیری آنها آسان­تر می­باشد. در حالت کلی اندازه­گیری خواص نانولوله­های کربن به صورت عملی و آزمایشگاهی در ابعاد نانو کاری بسیار دشوار و هزینه بر است.

    -------------------------------------

    Iijima

    Qian

    البته طی سالهای اخیر یک ابزار بسیار قوی جهت تخمین و بررسی خواص مکانیکی نانولوله­ها با دقت بسیار بالا مورد استفاده قرار گرفته است که شبیه سازی به روش دینامیک مولکولی 1 نام دارد. این روش ابزار مناسبی برای رها شدن از دشواریهای روش تجربی و تایید نتایج به دست آمده توسط تئوریهای تحلیلی می باشد. تحقیقات انجام گرفته بر روی نانولوله­های کربن به دلیل خواص فوق العاده­ی گزارش شده آنها، متعدد و گوناگون می باشد. افراد مختلف همواره سعی نموده اند که با تئوریهای جدید و روشهای ساده­تر به نتایج دقیق­تری دست پیدا کنند. بر این اساس خصوصیاتی همچون مدول یانگ، ضریب پواسون، روابط تنش-کرنش و مقادیر آنها، تنش ماکزیمم، کرنش شکست و... همواره مد نظر محققین بوده است. اولین آزمایش برای اندازه­گیری مدول الاستیسیته در نانولوله کربن چند دیواره مقدار 9/0 ± 8/1 TPa را نتیجه داد ]3[ و پس از آن وانگ 2 ]4[  مقدار کمی کمتر 59/0 ± 28/1 TPa را گزارش کرد. یو 3 ]5[ مقاومت کششی و مدول یانگ نانولوله کربن تک دیواره را به ترتیب در بازه ی: 63 – 11 GPa و 95/0– 27/0 TPa یافت. کریشنان 4 ]6[ نیز مدول الاستیک نانولوله کربن تک دیواره را در محدوده ی قطر 5/1 – 1 nm برای 27 نانولوله در حدود 25/1 TPa اندازه گرفت. لو 5 ]8و7[ و لییر 6 ]9[ نیز به ترتیب با مدلهای ثابت نیروی تجربی 7 و محاسبات اصول اولیه 8 مدول یانگ را 97/0 و 1 TPa به دست آورده اند. همه­ نتایج فوق حتی با در نظر گرفتن خطای آنها نشان می دهند که خواص مکانیکی نانولوله­های کربن بسیار بالاست.

     

    ----------------------------------------------

    Molecular Dynamic (MD)

    Wong

    Yu

    Krishnan

    Lu

    Lier

    Emperical force Constant model

    ab initio

    Srivastava

    از دیگر کارهای انجام شده می توان به تحقیقات سری واستاوا 9 ]10[ برای نانولوله کربن (0و8) با استفاده از روش دینامیک مولکولی اشاره نمود که نشان داده است این ساختار می تواند تا 12درصد فشرده شود و تحت چنین محدودیت الاستیکی، تنش در رنج 125 – 110 GPa می­باشد. در سالهای اخیر اکثر تحقیقات بر روی بارگذاری فشاری و ترکیبی به منظور بررسی کمانش ساختار نانولوله­ها متمرکز شده اند و بدین منظور کارهای انجام گرفته بر روی بارگذاری کششی بسیار محدود می باشد. از آنجا که نتایج بارگذاریهای فشاری و کششی در نانولوله­های کربن کاملاً متفاوتند (به دلیل اثر بر هم کنشهای دافعه و جاذبه در این ساختارها که ماهیت و مقدار متفاوتی دارند)، بنابراین همچنان کارهای تحقیقاتی بر روی این ساختارها تحت بار کششی مطلوب محققین بوده و هم اکنون نیز در حال بررسی می باشد.

    در اینجا کمی بیشتر به جزئیات هندسی و آشنایی با اساس روشهای مختلف به کار گرفته شده جهت تخمین خواص مکانیکی نانولوله­های کربن می پردازیم. از نظر ساختاری نانولوله­های کربن در حالت کلی به دو دسته­ی کلی تقسیم می شوند که عبارتند از نانولوله­های کربن تک دیواره 1 و نانولوله­های کربن چند دیواره 2. یک نانولوله­ی کربنی تک جداره می­تواند از نظر شماتیکی ناشی از خم شدن یک ورقه­ی گرافیتی و تبدیل شدن آن به یک لوله استوانه­ای باشد و یک نانولوله کربنی چند جداره مجموعه­ای از نانولوله­های کربنی تک جداره هم مرکز و هم راستا است که درون یکدیگر قرار گرفته­اند. راستای تا خوردن و خم شدن ورقه گرافیتی، توسط برداری به نام کایرال 3 یا Ch(n,m) تعریف می­گردد. شکل 1-1 نمایانگر این بردار در ساختار نانولوله می باشد. با استفاده از این بردار می­توان انواع چیدمانهای ساختار اتمی را تعریف نمود.

    Abstract:

    In this research first we have estimated elastic modulus of zigzag and armchair single walled carbon nanotubes (SWCNTs) under uniaxial tension using a new combined method and then verify obtained results from analytical method with results of other analytical and experimental works. Results showed when diameter or indices of SWCNTs increases the young modulus of SWCNTs decreases and in a same diameter the modulus of an armchair SWCNT is more than a zigzag SWCNT.

    In next chapter first mechanical behavior of single walled carbon nanotubes is studied and results showed stress – strain diagrams of SWCNTs are similar to brittle materials but the amount of maximum stress and strain of SWCNTs are more than brittle materials.

    In last chapter using a computer modeling we modeled armchair SWCNT (10,10) and zigzag SWCNT (17,0) based on suitable boundary condition with LAMPS software and applying axial tensile loading and checking strain energy in small strains, elastic modulus and stress –strain diagrams of both of zigzag and armchair SWCNTs obtained. Results showed that there is a good agreement between results 

  • فهرست و منابع پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی

    فهرست:

    فصل اول (مقدمه)         

    1-1 مقدمه. 2

    2-1 تابع پتانسیل مورس اصلاح شده. 9

    3-1 توابع پتانسیل ترسوف- برنر و ترسوف.. 11

    4-1 توابع پتانسیل نسل دوم مرتبه پیوند تجربی واکنشی و لنارد جونز 6-12   12

    فصل دوم (تخمین مدول الاستیک)

    1-2 فرمولاسیون مرجع. 18

    1-1-2 پتانسیل انرژی.. 20

    2-1-2 تابع پتانسیل مورس اصلاح شده. 20

    3-1-2 تابع پتانسیل ترسوف.. 21

    4-1-2 فرمولاسیون با استفاده از تابع پتانسیل مورس اصلاح شده. 22

    5-1-2 فرمولاسیون با استفاده از تابع پتانسیل ترسوف.. 23

    2-2 تحلیل ساختاری.. 24

    1-2-2 اثر انحنا 31

    2-2-2 ساختار آرمچیر. 31

    3-2-2 ساختار زیگزاگ.. 32

    3-2 نتایج و مباحث.. 35

    فصل سوم (تخمین رفتار مکانیکی)

    1-3 مقدمه. 42

    2-3 فرمولاسیون مرجع. 42

    3-3 تحلیل ساختاری.. 44

    1-3-3 ساختار آرمچیر. 48

    2-3-3 ساختار زیگزاگ.. 49

    3-3-3 اثر انحنا 50

    4-3 نتایج و مباحث.. 53

    فصل چهارم (مدل سازی نرم افزاری)

    1-4 مدل سازی.. 59

    2-4 مباحث و نتایج. 61

    فصل پنجم (نتیجه گیری و پیشنهادات)

    نتیجه گیری و پیشنهادات.. 67

    لیست مقالات ارائه شده. 70

    فهرست مراجع. 71

     

    منبع:

     

    از پایان نامه فوق تا کنون مقالات و کنفرانسهای زیر ارائه شده­اند:

    Title of paper:

    Prediction of elastic modulus of single walled carbon nanotubes under tension with a new combined method

    Submitted in: Journal of Acta Mechanica (ISI) – 21/09/2010.

    Title of conference:

    Prediction of elastic modulus of zigzag single walled carbon nanotube under tension with a new combined method

    Submitted in: 3rd International Conference on Nanoscience and Nanotechnology, 9-11 November 2010, Shiraz, Iran (ICNN2010).

    Title of conference:

    A novel analytical molecular structural model for the calculation of young's modulus of zigzag single walled carbon nanotubes in presence of vacancies

    Submitted in: 3rd International Conference on Nanoscience and Nanotechnology, 9-11 November 2010, Shiraz, Iran (ICNN2010).

    Title of conference:

    A theoretical study to predict the young modulus of zigzag single walled carbon nanotubes containing vacancy

    Submitted in: Nanocon2010 czech republic, 12-14 October.

    Title of conference:

    Defect of unit cell length on young modulus of zigzag single walled carbon nanotubes

    Submitted in: Nanocon2010 czech republic, 12-14 October.

     

     

    فهرست مراجع

    [1] S. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature 354 (1991)56–68.

    [2] Qian D, Dickey EC, Andrews R, Rantell T. Load transfer and deformation mechanisms in carbon nanotube-polystyrene composites. Appl Phys Lett 2000; 76(20):2868–70.

    [3] Treacy MMJ, Ebbesen TW, Gibson JM. Exceptionally high young’s modulus observed for individual nanotubes. Nature 1996; 381(6584):678–80.

    [4] Wong EW, Sheehan PE, Lieber CM. Nanobeam mechanics: elasticity, strength, and toughness of nanorods and nanotubes. Science 1997; 277(26):1971–5.

    [5] Yu MF, Lourie O, Dyer MJ, Moloni K, Kelly TF, Ruoff RS. Strength and breaking mechanism of multi-walled carbon nanotubes under tensile load. Science 2000; 287(28):637–40.

    [6] Krishnan A, Dujardin E, Ebbesen TW, Yianilos PN, Treacy MMJ. Young’s modulus of single-walled nanotubes. Phys Rev B 1998; 58(20):14013–9.

    [7] Lu JP. Elastic properties of single and multilayered nanotubes. J Phys Chem Solids 1997; 58(11):1649–52.

    [8] Lu JP. Elastic properties of carbon nanotubes and nanoropes. Phys Rev Lett 1997; 79(7):1297–9.

    [9] Lier GV, Alsenoy CV, Doren VV, Geerlings P. Ab initio study of the elastic properties of single-walled carbon nanotubes and graphene. Chem Phys Lett 2000; 326:181–5.

    [10] Srivastava D, Menon M, Cho K. Nanoplasticity of single-wall carbon nanotubes under uniaxial compression. Phys Rev Lett 1999; 83(15):2973–6.

    [11] T. Belytschko, S. Xiao, G. Schatz, R. Ruoff, Atomistic simulations of nanotube fracture, Physical Review B 65 (25) (2002) 235430.

    [12] J.R. Xiao, B.A. Gama, J.W. Gillespie Jr., An analytical molecular structural mechanics model for the mechanical properties of carbon nanotubes, International Journal of Solids and Structures 42 (2005) 3075–3092.

    [13] X. Sun, W. Zhao, Prediction of stiffness and strength of single-walled carbon nanotubes by molecular-mechanics based finite element approach, Materials Science and Engineering 390 (2005) 366–371.

    [14] D.W. Brenner, Phys. Rev. B 42 (1990) 9458.

    [15] J. Tersoff, Phys. Rev. B 39 (1989) 5566.

    [16] M. Sammalkorpi, A. Krasheninnikov, A. Kuronen, K. Nordlund, K. Kaski, Phys. Rev. B 70 (2004) 245416.

    [17] Tersoff J. New empirical model for the structural properties of silicon. Phys Rev Lett 1986; 56:632–5.

    [18] Tersoff J. New empirical approach for the structure and energy of covalent systems. Phys Rev B 1988; 37:6991–7000.

    [19] Brenner DW. Empirical potential for hydrocarbons for use in simulating the chemical vapor deposition of diamond films. Phys Rev B 1990; 42:9458–71.

    [20] Lennard-Jones LE. The determination of molecular fields. I. From the variation for molecular simulation. Proc Roy Soc London 1924; 106A:441–62.

    [21] Mahmood M. Shokrieh , Roham Rafiee. Prediction of Young’s modulus of graphene sheets and carbon nanotubes using nanoscale continuum mechanics approach. Tehran 2009; 16846-13114.

    [22] Li C, Chou T. A structural mechanics approach for the analysis of carbon nanotubes. Int J Solid Struct 2003;40:2487–99.

    [23] Kudin KN, Scuseria GE, Yakobson BI. C2F, BN, and C nanoshell elasticity from ab initio computations. Phys Rev B 2000;64(23):1–10 [Article ID 235406].

    [24] Reddy CD, Rajendran S, Liew KM. Equivalent continuum modeling of graphene sheets. Int J Nanosci 2005;4(4):631–6.

    [25] Kelly BT. Physics of graphite. London: Applied Science Press; 1981.

    [26] Toshiaki Natsuki, et al. Prediction of elastic properties for single walled carbon nanotube. Carbon 42(2004) 39-45.

    [27] Paras M.Agrawal, et al. A comparison of different method of young modulus determination for single walled carbon nanotube using molecular dynamic simulation.  Computational Materials Science 38 (2006) 271–281.

    [28] B Jalalahmadi, R Naghdabadi. Finite element modeling of single-walled carbon nanotubes with introducing a new wall thickness. Journal of Physics: Conference Series 61 (2007) 497–502.

    [29] Gao X L and Li K 2003 Int. J. Solids Struct. 40 7329-37.

    [30] Yakobson B I, Brabec C J and Bernholc J 1996 Phys. Rev. Lett. 76 2511-4.

    [31] Zhou X, Zhou J J and Ou-Yang Z C 2000 Phys. Rev. B 62 13692–6.

    [32] Tu Z and Ou-Yang Z 2002 Phys. Rev. B 65 233407.

    [33] Pantano A, Parks D M and Boyce M C 2004 J. Mech. Phys. Solids 52 789-821.

    [34] Kudin K N, Scuseria G E and Yakobson B I 2001 Phys. Rev. B 64 235406.

    [35] Lu J P 1997 Phys. Rev. Lett. 79 1297–300.

    [36] Hernandez E, Goze C, Bernier P and Rubio A 1998 Phys. Rev. Lett. 80 4502–5.

    [37] Jin Y and Yuan F G 2003 Compos. Sci. Technol. 63 1507-15.

    [38] Meo M, Rossi M. Prediction of Young’s modulus of single wall carbon nanotubes by molecular-mechanics based finite element modeling. Composites Science and Technology 66 (2006) 1597–1605.

    [39] Odegard G M, Gates T S, Nicholson L M and Wise K E 2002 Compos. Sci. Technol. 62 1869- 80.

    [40] Chang T, Gao H. Size-dependent elastic properties of a single-walled carbon nanotube via a molecular mechanics model. J Mech Phys Solid 2003;51:1059–74.

    [41] Xiao JR, Gama BA, Gillespie Jr JW. An analytical molecular structural mechanics model for the mechanical properties of carbon nanotubes. Int J Solid Struct 2005;42:3075–92.

    [42] Wu Y, Zhang X, Leung AYT, Zhong W. An energy-equivalent model on studying the mechanical properties of single-walled carbon nanotubes. Thin Wall Struct 2006;44:667–76.

    [43] Zhang HW, Wang JB, Guo X. Predicting the elastic properties of single walled carbon nanotubes. J Mech Phys Solid 2005;53:1929–50.

    [44] K.I. Tserpes, et al. Multi-scale modeling of tensile behavior of carbon.

    nanotube-reinforced composites. Theoretical and Applied Fracture Mechanics 49 (2008) 51–60.

    [45] Ali Ebrahimi, Hossein Ehteshami, Marzie Mohammadi. Density functional calculations of response of single-walled armchair carbon nanotubes to axial tension. Computational Materials Science 41 (2008) 486–492.

    [46] K.M. Liew, X.Q. He, C.H. Wong. On the study of elastic and plastic properties of multi-walled carbon nanotubes under axial tension using molecular dynamics simulation. Acta Materialia 52 (2004) 2521–2527.

    [47] Tarek Ragab, Cemal Basaran. A framework for stress computation in single-walled carbon nanotubes under uniaxial tension. Computational Materials Science 46 (2009) 1135–1143.



تحقیق در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, مقاله در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, پروپوزال در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, تز دکترا در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, تحقیقات دانشجویی درباره پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, مقالات دانشجویی درباره پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, پروژه درباره پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, گزارش سمینار در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, تحقیق دانش آموزی در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, مقاله دانش آموزی در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی, رساله دکترا در مورد پایان نامه تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانو لوله های کربنی تحت بارگذاری کششی

ثبت سفارش
تعداد
عنوان محصول
بانک دانلود پایان نامه رسا تسیس