مدلسازي و آناليز خواص مكانيكي نانولوله هاي كربني

پايان نامه كارشناسي ارشد 

رشته مهندسي مكانيك – گرايش طراحي كاربردي

مدلسازي و آناليز خواص مكانيكي نانولوله هاي كربني

چكيده

 از آنجائيكه شركت هاي بزرگ در رشته نانو فناوري  مشغول فعاليت هستند و رقابت بر سر عرصه محصولات جديد شديد است و در بازار رقابت، قيمت تمام شده محصول، يك عامل عمده در موفقيت آن به شمار مي رود، لذا ارائه يك مدل مناسب كه رفتار نانولوله هاي كربن را با دقت قابل قبولي نشان دهد و همچنين استفاده از آن توجيه اقتصادي داشته باشد نيز يك عامل بسيار مهم است. به طور كلي دو ديدگاه براي بررسي رفتار نانولوله هاي كربني وجود دارد، ديدگاه ديناميك مولكولي و  محيط پيوسته. ديناميك مولكولي با وجود دقت بالا، هزينه هاي بالاي محاسباتي داشته و محدود به مدل هاي كوچك مي باشد. لذا مدل هاي ديگري كه حجم محاسباتي كمتر و توانايي شبيه سازي سيستمهاي بزرگتر را با دقت مناسب داشته باشند  بيشتر توسعه يافته اند.

پيش از اين بر اساس تحليل هاي ديناميك مولكولي و اندركنش هاي بين اتم ها، مدلهاي محيط پيوسته، نظير مدلهاي خرپايي، مدلهاي فنري، قاب فضايي، بمنظور مدلسازي نانولوله ها، معرفي شده اند. اين مدلها، بدليل فرضياتي كه براي ساده سازي در استفاده از آنها لحاظ شده اند، قادر نيستند رفتار شبكه كربني در نانولوله هاي كربني را بطور كامل پوشش دهند.

در اين پايان نامه از ثوابت ميدان نيرويي بين اتمها و انرژي كرنشي و پتانسيل هاي موجود براي شبيه سازي رفتار نيرو هاي بين اتمي استفاده شده و به بررسي و آناليز رفتار نانولوله هاي كربني از چند ديدگاه  مختلف مي پردازيم، و مدل هاي تدوين شده را به شرح زير ارائه مي نمائيم:

مدل انرژي- معادل

مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS

مدل اجزاء محدود بوسيله كد عددي تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB

مدل هاي تدوين شده به منظور بررسي خصوصيات مكانيكي نانولوله كربني تك ديواره بكار گرفته شده است. در روش انرژي- معادل، انرژي پتانسيل كل مجموعه و همچنين انرژي كرنشي نانو لوله كربني تك ديواره بكار گرفته مي شود. خصوصيات صفحه اي الاستيك براي نانو لوله هاي كربني تك ديواره براي هر دو حالت صندلي راحتي و زيگزاگ  در جهت هاي محوري و محيطي بدست آمده است.

در  مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS ، به منظور انجام محاسبات عددي،  نانو لوله كربني با يك مدل ساختاري معادل جايگزين مي شود.

در  مدل اجزاء محدود سوم، كد عددي توسط نرم افزار MATLAB تدوين شده كه از روش اجزاء محدود براي محاسبه ماتريس سختي براي يك حلقه شش ضلعي كربن، و تعميم و روي هم گذاري آن براي محاسبه ماتريس سختي كل صفحه گرافيتي، استفاده شده است.

فهرست مطالب

چكيده   

فصل اول   

مقدمه نانو   

۱-۱ مقدمه   

   ۱-۱-۱ فناوري نانو   

۱-۲ معرفي نانولوله‌هاي كربني   

   ۱-۲-۱ ساختار نانو لوله‌هاي كربني   

   ۱-۲-۲ كشف نانولوله   

۱-۳ تاريخچه   

فصل دوم   

خواص و كاربردهاي نانو لوله هاي كربني   

۲-۱ مقدمه   

۲-۲ انواع نانولوله‌هاي كربني   

   ۲-۲-۱ نانولوله‌ي كربني تك ديواره (SWCNT)   

   ۲-۲-۲ نانولوله‌ي كربني چند ديواره (MWNT)   

۲-۳ مشخصات ساختاري نانو لوله هاي كربني   

   ۲-۳-۱ ساختار يك نانو لوله تك ديواره   

   ۲-۳-۲ طول پيوند و قطر نانو لوله كربني تك ديواره   

۲-۴ خواص نانو لوله هاي كربني   

   ۲-۴-۱ خواص مكانيكي و رفتار نانو لوله هاي كربن   

       ۲-۴-۱-۱ مدول الاستيسيته   

       ۲-۴-۱-۲ تغيير شكل نانو لوله ها تحت فشار هيدرواستاتيك   

       ۲-۴-۱-۳ تغيير شكل پلاستيك و تسليم نانو لوله ها   

۲-۵ كاربردهاي نانو فناوري   

   ۲-۵-۱ كاربردهاي نانولوله‌هاي كربني   

       ۲-۵-۱-۱ كاربرد در ساختار مواد   

       ۲-۵-۱-۲ كاربردهاي الكتريكي و مغناطيسي   

       ۲-۵-۱-۳ كاربردهاي شيميايي   

       ۲-۵-۱-۴ كاربردهاي مكانيكي   

فصل سوم   

روش هاي سنتز نانو لوله هاي كربني    

۳-۱ فرايندهاي توليد نانولوله هاي كربني   

   ۳-۱-۱ تخليه از قوس الكتريكي   

   ۳-۱-۲ تبخير/ سايش ليزري   

   ۳-۱-۳ رسوب دهي شيميايي بخار به كمك حرارت(CVD)   

   ۳-۱-۴ رسوب دهي شيميايي بخار به كمك پلاسما (PECVD )   

   ۳-۱-۵ رشد فاز  بخار   

   ۳-۱-۶ الكتروليز   

   ۳-۱-۷ سنتز شعله   

   ۳-۱-۸ خالص سازي نانولوله هاي كربني   

۳-۲ تجهيزات   

   ۳-۲-۱ ميكروسكوپ هاي الكتروني   

   ۳-۲-۲ ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM)   

   ۳-۲-۳ ميكروسكوپ الكتروني پيمايشي يا پويشي (SEM)   

   ۳-۲-۴ ميكروسكوپ هاي پروب پيمايشگر (SPM)   

       ۳-۲-۴-۱ ميكروسكوپ هاي نيروي اتمي (AFM)   

       ۳-۲-۴-۲ ميكروسكوپ هاي تونل زني پيمايشگر (STM)   

فصل چهارم   

شبيه سازي خواص و رفتار نانو لوله هاي كربني بوسيله روش هاي پيوسته   

۴-۱ مقدمه   

۴-۲ مواد در مقياس نانو   

   ۴-۲-۱ مواد محاسباتي   

   ۴-۲-۲ مواد نانوساختار   

۴-۳ مباني تئوري تحليل مواد در مقياس نانو   

   ۴-۳-۱ چارچوب هاي تئوري در تحليل مواد   

       ۴-۳-۱-۱ چارچوب محيط پيوسته در تحليل مواد   

۴-۴ روش هاي شبيه سازي   

   ۴-۴-۱ روش ديناميك مولكولي  

   ۴-۴-۲ روش مونت كارلو   

   ۴-۴-۳ روش محيط پيوسته   

   ۴-۴-۴ مكانيك ميكرو   

   ۴-۴-۵ روش المان محدود (FEM)   

   ۴-۴-۶ محيط پيوسته مؤثر   

۴-۵ روش هاي مدلسازي نانو لوله هاي كربني   

   ۴-۵-۱ مدلهاي مولكولي   

       ۴-۵-۱-۱ مدل مكانيك مولكولي ( ديناميك مولكولي)   

       ۴-۵-۱-۲ روش اب انيشو   

       ۴-۵-۱-۳ روش تايت باندينگ   

       ۴-۵-۱-۴ محدوديت هاي مدل هاي مولكولي   

   ۴-۵-۲ مدل محيط پيوسته در مدلسازي نانولوله ها   

       ۴-۵-۲-۱ مدل ياكوبسون   

       ۴-۵-۲-۲ مدل كوشي بورن   

       ۴-۵-۲-۳ مدل خرپايي   

       ۴-۵-۲-۴ مدل  قاب فضايي   

۴-۶ محدوده كاربرد مدل محيط پيوسته   

   ۴-۶-۱ كاربرد مدل پوسته پيوسته   

   ۴-۶-۲ اثرات سازه نانولوله بر روي تغيير شكل   

   ۴-۶-۳ اثرات ضخامت تخميني بر كمانش نانولوله   

   ۴-۶-۴ اثرات ضخامت تخميني بر كمانش نانولوله   

   ۴-۶-۵ محدوديتهاي مدل پوسته پيوسته   

       ۴-۶-۵-۱ محدوديت تعاريف در پوسته پيوسته   

       ۴-۶-۵-۲ محدوديت هاي تئوري كلاسيك محيط پيوسته   

   ۴-۶-۶ كاربرد مدل تير پيوسته     

فصل پنجم   

مدل هاي تدوين شده براي شبيه سازي رفتار نانو لوله هاي كربني    

۵-۱ مقدمه   

۵-۲ نيرو در ديناميك مولكولي   

   ۵-۲-۱ نيروهاي بين اتمي   

       ۵-۲-۱-۱ پتانسيلهاي جفتي   

       ۵-۲-۱-۲ پتانسيلهاي چندتايي   

   ۵-۲-۲ ميدانهاي خارجي نيرو   

۵-۳ بررسي مدل هاي محيط پيوسته گذشته   

۵-۴ ارائه مدل هاي تدوين شده براي شبيه سازي نانولوله هاي كربني   

   ۵-۴-۱ مدل انرژي- معادل   

       ۵-۴-۱-۱ خصوصيات  محوري نانولوله هاي كربني تك ديواره   

       ۵-۴-۱-۲ خصوصيات  محيطي نانولوله هاي كربني تك ديواره   

   ۵-۴-۲ مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS   

       ۵-۴-۲-۱ تكنيك عددي بر اساس المان محدود   

       ۵-۴-۲-۲ ارائه ۳ مدل تدوين شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS   

   ۵-۴-۳ مدل اجزاء محدود بوسيله كد عددي تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB   

       ۵-۴-۳-۱ مقدمه   

       ۵-۴-۳-۲ ماتريس الاستيسيته   

       ۵-۴-۳-۳ آناليز خطي و روش اجزاء محدود برپايه جابجائي   

       ۵-۴-۳-۴ تعيين و نگاشت المان   

       ۵-۴-۳-۵ ماتريس كرنش-جابجائي   

       ۵-۴-۳-۶ ماتريس سختي براي يك المان ذوزنقه اي   

       ۵-۴-۳-۷ ماتريس سختي براي يك حلقه كربن   

       ۵-۴-۳-۸ ماتريس سختي براي يك ورق گرافيتي تك لايه   

       ۵-۴-۳-۹ مدل پيوسته به منظور تعيين خواص مكانيكي ورق گرافيتي تك لايه   

فصل ششم   

نتايج   

۶-۱ نتايج حاصل از مدل انرژي-معادل   

   ۶-۱-۱ خصوصيات محوري نانولوله كربني تك ديواره   

   ۶-۱-۲ خصوصيات محيطي نانولوله كربني تك ديواره   

۶-۲ نتايج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS   

   ۶-۲-۱ نحوه مش بندي المان محدود نانولوله هاي كربني تك ديواره در نرم افزار ANSYS و ايجاد ساختار قاب فضايي و مدل سيمي به كمك نرم افزار ]۵۴MATLAB [   

   ۶-۲-۲ اثر ضخامت بر روي مدول الاستيك نانولوله هاي كربني تك ديواره   

۶-۳ نتايج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسيله كد تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB   

فصل هفتم   

نتيجه گيري و پيشنهادات    

۷-۱ نتيجه گيري   

۷-۲ پيشنهادات   

فهرست مراجع