پایان نامه مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانو لوله های کربنی

پایان نامه جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک - گرایش طراحی کاربردی عنوان: مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

چکیده

از آنجائیکه شرکت های بزرگ در رشته نانو فناوری مشغول فعالیت هستند و رقابت بر سر عرصه محصولات جدید شدید است و در بازار رقابت، قیمت تمام شده محصول، یک عامل عمده در موفقیت آن به شمار می رود، لذا ارائه یک مدل مناسب که رفتار نانولوله های کربن را با دقت قابل قبولی نشان دهد و همچنین استفاده از آن توجیه اقتصادی داشته باشد نیز یک عامل بسیار مهم است. به طور کلی دو دیدگاه برای بررسی رفتار نانولوله های کربنی وجود دارد، دیدگاه دینامیک مولکولی و محیط پیوسته. دینامیک مولکولی با وجود دقت بالا، هزینه های بالای محاسباتی داشته و محدود به مدل های کوچک می باشد. لذا مدل های دیگری که حجم محاسباتی کمتر و توانایی شبیه سازی سیستمهای بزرگتر را با دقت مناسب داشته باشند بیشتر توسعه یافته اند.

پیش از این بر اساس تحلیل های دینامیک مولکولی و اندرکنش های بین اتم ها، مدلهای محیط پیوسته، نظیر مدلهای خرپایی، مدلهای فنری، قاب فضایی، بمنظور مدلسازی نانولوله ها، معرفی شده اند. این مدلها، بدلیل فرضیاتی که برای ساده سازی در استفاده از آنها لحاظ شده اند، قادر نیستند رفتار شبکه کربنی در نانولوله های کربنی را بطور کامل پوشش دهند.

مدل های تدوین شده به منظور بررسی خصوصیات مکانیکی نانولوله کربنی تک دیواره بکار گرفته شده است. در روش انرژی- معادل، انرژی پتانسیل کل مجموعه و همچنین انرژی کرنشی نانو لوله کربنی تک دیواره بکار گرفته می شود. خصوصیات صفحه ای الاستیک برای نانو لوله های کربنی تک دیواره برای هر دو حالت صندلی راحتی و زیگزاگ در جهت های محوری و محیطی بدست آمده است.

در مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS ، به منظور انجام محاسبات عددی، نانو لوله کربنی با یک مدل ساختاری معادل جایگزین می شود.

در مدل اجزاء محدود سوم، کد عددی توسط نرم افزار MATLAB تدوین شده که از روش اجزاء محدود برای محاسبه ماتریس سختی برای یک حلقه شش ضلعی کربن، و تعمیم و روی هم گذاری آن برای محاسبه ماتریس سختی کل صفحه گرافیتی، استفاده شده است.

اثرات قطر و ضخامت دیواره بر روی رفتار مکانیکی هر دو نوع نانو لوله های کربنی تک دیواره و صفحه گرافیتی تک لایه مورد بررسی قرار گرفته است. مشاهده می شود که مدول الاستیک برای هر دو نوع نانو لوله های کربنی تک دیواره با افزایش قطر لوله بطور یکنواخت افزایش و با افزایش ضخامت نانولوله، کاهش می یابد. اما نسبت پواسون با افزایش قطر ،کاهش می یابد. همچنین منحنی تنش-کرنش برای نانولوله تک دیواره صندلی راحتی پیش بینی و تغییرات رفتار آنها مقایسه شده است. نشان داده شده که خصوصیات صفحه ای در جهت محیطی و محوری برای هر دو نوع نانو لوله کربنی و همچنین اثرات قطر و ضخامت دیواره نانو لوله کربنی بر روی آنها یکسان می باشد. نتایج به دست آمده در مدل های مختلف یکدیگر را تایید می کنند، و نشان می دهند که هر چه قطر نانو لوله افزایش یابد، خواص مکانیکی نانولوله های کربنی به سمت خواص ورقه گرافیتی میل می کند.

نتایج این تحقیق تطابق خوبی را با نتایج گزارش شده نشان می دهد.

واژه های کلیدی: نانولوله های کربنی ، خواص مکانیکی، محیط پیوسته ، تعادل- انرژی ، اجزاء محدود ، ورق گرافیتی تک لایه، ماتریس سختی.

معرفی و ساختار نانولوله های کربنی

نانو لوله های کربنی (CNTs) یک نوع آلوتروپ کربن هستند که اخیراً کشف شده اند. آنها به شکل مولکول استوانه ای هستند و خواص شگفت انگیزی دارند که آنها را برای بکارگیری در بسیاری از کاربردهای نانوفناوری، الکترونیک، اپتیک و حوزه های دیگر علم مواد مناسب می سازد. آنها دارای استحکام خارق العاده ای بوده، خواص الکتریکی منحصر به فردی دارند، و هادی کارآمدی برای حرارت هستند.

یک نانولوله عضوی از خانواده فلورن هاست، که باکی بال ها را نیز شامل می شود. فلورن ها خوشه ی بزرگی از اتم های کربن در قالب یک قفس بسته می باشند و از ویژگی های خاصی برخوردارند که پیش از این در هیچ ترکیب دیگری یافت نشده بودند. بنابراین، فلورن ها به طور کلی خانواده ای جالب توجه از ترکیب ها را تشکیل می دهند که به طور قطع در کاربردها و فناوری های آینده مورد استفاده وسیع قرار خواهند گرفت.

ساختارهای عجیب و غریب زیادی از فلورن ها ، شامل: کروی منظم، مخروطی، لوله ای و همچنین اشکال پیچیده و عجیب دیگر وجود دارد. در اینجا ما به توضیح مهمترین و شناخته شده ترین آنها می پرد از یم. ساختار باکی بال در شکل کره و نانولوله به شکل استوانه است که معمولاً لااقل یک سر آن با درپوش نیم کروی از ساختار باکی بال پوشیده شده است (شکل 1-2) ...

خواص و کاربردهای نانولوله های کربنی

لفظ نانولوله در حالت عادی در مورد نانولوله های کربنی (CNTs) بکار می رود که توجه فراوان محققین را در سال های اخیر به خود جلب نموده است. اشکال دیگری از نانولوله ها، نظیر انواع ساخته شده از نیترید بور و یا حتی نانولوله های خود آرای آلی نیز وجود دارد.

این مواد در حقیقت لوله هایی از گرافیت می باشند (گرافیت شکلی از کربن است که از لایه های حاوی آرایش های شش ضلعی اتم های کربن تشکیل می شود) . این لوله ها اندازه های مختلفی داشته و تک دیواره و یا چند دیواره اند. یک خصوصیت برجسته آنها، استحکام کششی بالا است.

نانولوله ها، مانند هم خانواده ی خود، ورقه های گرافیت، به یکدیگر نچسبیده و تنها با نیرو های ضعیف واندروالسی جذب یکدیگر می شوند. نانولوله ها به مواد دیگر نیز، براحتی نمی چسبند. این مسئله بکارگیری خواص مولکولی آنها را در مواد توده ای با مشکل مواجه می سازد. می توان با اصلاح شیمیایی نانولوله ها، باعث چسبیدن آنها به یکدیگر شد، اما خلوص ساختاری آنها است که سبب استحکام بالامی گردد....

فهرست مطالب پایان نامه

فهرست علائم

فهرست جداول

فهرست اشکال

چکیده

فصل اول مقدمه نانو

مقدمه

فناوری نانو

معرفی نانولوله های کربنی

ساختار نانو لوله های کربنی

کشف نانولوله

تاریخچه

فصل دوم خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی

مقدمه

انواع نانولوله های کربنی

نانولوله ی کربنی تک دیواره (SWCNT)

نانولوله ی کربنی چند دیواره (MWNT)

مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی

ساختار یک نانو لوله تک دیواره

طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره

خواص نانو لوله های کربنی

خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن

مدول الاستیسیته

تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک

تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها

کاربردهای نانو فناوری

کاربردهای نانولوله های کربنی

کاربرد در ساختار مواد

کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی

کاربردهای شیمیایی

کاربردهای مکانیکی

فصل سوم روش های سنتز نانو لوله های کربنی

فرایندهای تولید نانولوله های کربنی

تخلیه از قوس الکتریکی

تبخیر/ سایش لیزری

رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD)

رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD )

رشد فاز بخار

الکترولیز

سنتز شعله

خالص سازی نانولوله های کربنی

تجهیزات

میکروسکوپ های الکترونی

میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)

میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی (SEM)

میکروسکوپ های پروب پیمایشگر (SPM)

میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM)

میکروسکوپ های تونل زنی پیمایشگر (STM)

فصل چهارم شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته

مقدمه

مواد در مقیاس نانو

مواد محاسباتی

مواد نانوساختار

مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو

چارچوب های تئوری در تحلیل مواد

چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد

روش های شبیه سازی

روش دینامیک مولکولی

روش مونت کارلو

روش محیط پیوسته

مکانیک میکرو

روش المان محدود (FEM)

محیط پیوسته مؤثر

روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی

مدلهای مولکولی

مدل مکانیک مولکولی ( دینامیک مولکولی)

روش اب انیشو

روش تایت باندینگ

محدودیت های مدل های مولکولی

مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها

مدل یاکوبسون

مدل کوشی بورن

مدل خرپایی

مدل قاب فضایی

محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته

کاربرد مدل پوسته پیوسته

اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل

اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله

اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله

محدودیتهای مدل پوسته پیوسته

محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته

محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته

کاربرد مدل تیر پیوسته

فصل پنجم مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی

مقدمه

نیرو در دینامیک مولکولی

نیروهای بین اتمی

پتانسیلهای جفتی

پتانسیلهای چندتایی

میدانهای خارجی نیرو

بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته

ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی

مدل انرژی معادل

خصوصیات محوری نانولوله های کربنی تک دیواره

خصوصیات محیطی نانولوله های کربنی تک دیواره

مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS

تکنیک عددی بر اساس المان محدود

ارائه مدل تدوین شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS

مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB

مقدمه

ماتریس الاستیسیته

آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی

تعیین و نگاشت المان

ماتریس کرنشجابجائی

ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای

ماتریس سختی برای یک حلقه کربن

ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه

مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه

فصل ششم نتایج

نتایج حاصل از مدل انرژی معادل

خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره

خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره

نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS

نحوه مش بندی المان محدود نانولوله های کربنی تک دیواره در نرم افزار ANSYS و ایجاد ساختار قاب فضایی و مدل سیمی به کمک نرم افزار MATLAB

اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره

نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB

فصل هفتم نتیجه گیری و پیشنهادات

نتیجه گیری

پیشنهادات

فهرست مراجع