دانلود پژوهش مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانو لوله های کربنی

کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک – گرایش طراحی کاربردی

چکيده

از آنجائيکه شرکت 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، يک عامل عمده در موفقيت آن به شمار مي رود، لذا ارائه يک مدل مناسب که رفتار نانولوله هاي کربن را با دقت قابل قبولي نشان دهد و همچنين استفاده از آن توجيه اقتصادي داشته باشد نيز يک عامل بسيار مهم است. به طور کلي دو ديدگاه براي بررسي رفتار نانولوله هاي کربني وجود دارد، ديدگاه ديناميک مولکولي و محیط پيوسته. ديناميک مولکولي با وجود دقت بالا، هزينه هاي بالاي محاسباتي داشته و محدود به مدل هاي کوچک مي باشد. لذا مدل هاي ديگري که حجم محاسباتي کمتر و توانايي شبيه سازي سيستمهاي بزرگتر را با دقت مناسب داشته باشند بيشتر توسعه يافته اند.

پيش از اين بر اساس تحليل هاي ديناميک مولکولي و اندرکنش 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 که براي ساده سازي در استفاده از آنها لحاظ شده اند، قادر نيستند رفتار شبکه کربني در نانولوله هاي کربني را بطور کامل پوشش دهند.

در اين پایان نامه از ثوابت ميدان نيرويي بين اتمها و انرژي کرنشي و پتانسيل هاي موجود براي شبيه سازي رفتار نيرو هاي بين اتمي استفاده شده و به بررسي و آناليز رفتار نانولوله هاي کربني 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 کد عددي تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB

مدل هاي تدوين شده به منظور بررسي خصوصيات مکانيکي نانولوله کربني تک ديواره بکار گرفته شده است. در روش انرژي- معادل، انرژي پتانسيل کل مجموعه و همچنين انرژي کرنشي نانو لوله کربني تک ديواره بکار گرفته مي شود. خصوصيات صفحه اي الاستيک براي نانو لوله هاي کربني تک 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 کربني با يک مدل ساختاري معادل جايگزين مي شود.

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

اثرات قطر و ضخامت ديواره بر روي رفتار مکانيکي هر دو نوع نانو لوله هاي کربني تک ديواره و صفحه گرافيتي تک لايه مورد بررسي قرار گرفته است. مشاهده مي شود که مدول الاستيک براي هر دو نوع نانو لوله هاي کربني تک ديواره با افزايش قطر لوله بطور يکنواخت افزايش و با افزايش ضخامت نانولوله، کاهش مي يابد. اما نسبت پواسون با افزايش قطر ،کاهش مي يابد. همچنين منحني تنش-کرنش براي نانولوله تک ديواره صندلي راحتي پيش بيني و تغييرات رفتار آنها مقايسه شده است. نشان داده شده که خصوصيات صفحه اي در جهت محيطي و محوري براي هر دو نوع نانو لوله کربني و همچنين اثرات قطر و ضخامت ديواره نانو لوله کربني بر روي آنها يکسان مي باشد. نتايج به دست آمده در مدل هاي مختلف يکديگر را تاييد مي کنند، و نشان می دهند که هر چه قطر نانو لوله افزايش يابد، خواص مکانيکي نانولوله هاي کربني به سمت خواص ورقه گرافيتي ميل مي کند.

نتايج اين تحقیق تطابق خوبي را با نتايج گزارش شده نشان مي دهد.

واژه هاي کليدي: نانولوله هاي کربني ، خواص مکانيکي، محيط پيوسته ، تعادل- انرژي ، اجزاء محدود ، ورق گرافيتي تک لايه، ماتريس سختي.

فصل اول

مقدمه نانو

1-1 مقدمه

1-1-1 فناوري نانو

نانو فناوري عبارت ازآفرينش مواد، قطعات و سيستم هاي مفيد با کنترل آنها در مقياس طولي نانو متر و بهره برداري از خصوصيات و پديده هاي جديد حاصله در آن مقياس مي باشد. به عبارت ديگر فناوري نانو، ايجاد چيدماني دلخواه از اتم ها و مولکول ها و توليد مواد جديد با خواص مطلوب است. فناوري نانو، نقطه تلاقي اصول مهندسي، فيزيک، زيست شناسي، پزشکي و شيمي است و به عنوان ابزاري براي کاربرد اين علوم و غني سازي آنها در جهت ساخت عناصر کاملاً جديد عمل مي کند.

از لحاظ ابعادي، يک نانو متر اندازه اي برابر ^9-10 متر است (شکل 1-1) . اين اندازه تقريباً چهار برابر قطر يک اتم منفرد مي باشد.

خصوصيات موجي (مکانيک کوانتومي) الکترونها در درون مواد و اندرکنشهاي اتمي، بوسيله ي تغييرات مواد در مقياس نانو متري، تحت تأثير قرار مي گيرند. با ايجاد ساختارهاي نانو متري، کنترل خصوصيات اساسي مواد مانند دماي ذوب، رفتار مغناطيسي و حتي رنگ آنها، بدون تغيير ترکيب شيميايي ممکن خواهد بود. به کارگيري اين پتانسيل، باعث ايجاد محصولات و فناوري هاي جديد با کارايي بسيار بالا خواهد شد که قبلاً ممکن نبوده است. سازمان دهي سيستماتيک ماده در مقياس طولي نانو متر، مشخصه کليدي سيستم هاي زيستي است.

ساختارهاي نانو، نظير ذرات نانو و نانو لوله ها، داراي نسبت سطح به حجم خيلي بالايي اند، بنابراين اجزاي ايده آلي براي استفاده در کامپوزيت ها، واکنش هاي شيميايي و ذخيره از انرژي هستند. از آنجا که نانوساختارها خيلي کوچک اند، مي توانند در ساخت سيستم هايي بکار برده شوند که چگالي المان خيلي بيشتري نسبت به انواع مقياس هاي ديگر دارند. بنابراين قطعات الکترونيکي کوچک تر، ادوات سريع تر، عملکردهاي پيچيده ترو مصرف بسيار کمتر انرژي را مي توان با کنترل واکنش و پيچيدگي نانو ساختار، بطور همزمان بدست آورد.

در حال حاضر، نانو فناوري يک تکنولوژي توانمند است، اما اين پتانسيل را دارد که تبديل به يک تکنولوژي جايگزين شود. فناوري نانو نه يک فناوري جديد، بلکه نگرشي تازه به کليه ي فناوري هاي موجود است و لذا روش هاي مبتني بر آن، در اصل همان فناوري هاي قبلي هستند که در مقياس نانو انجام مي شوند.

مراکز علمي و دانشگاهي با آگاهي از توانايي هاي وقابليت هاي نانو فناوري به تحقيق و پژوهش در اين زمينه مي پردارند. تفاوت هايي که در سال هاي اخير در زمينه ي نانو بوجود آمده است، حاکي از افزايش رغبت به اين حوزه مي باشد. در گذشته، تحقيقات بر اساس علايق و تخصص هاي محقق پيش مي رفت، اما اکنون اغلب کشورها داراي برنامه هاي مدون و راهبردي مشخص در اين زمينه هستند و مراکز علمي و تحقيقاتي خود را مامور پيش برد اين برنامه ها کرده اند.

1-2 معرفي نانولوله‌هاي كربني

1-2-1 ساختار نانو لوله‌هاي كربني

نانو لوله‌هاي كربني [1](CNTs) يك نوع آلوتروپ كربن هستند كه اخيراً كشف شده‌اند. آنها به شكل مولكول استوانه‌اي هستند و خواص شگفت انگيزي دارند كه آنها را براي بكارگيري در بسياري از كاربردهاي نانوفناوري، الكترونيك، اپتيك و حوزه‌هاي ديگر علم مواد مناسب مي سازد. آنها داراي استحكام خارق العاده‌اي بوده، خواص الكتريكي منحصر به فردي دارند، و هادي كارآمدي براي حرارت هستند.

يك نانولوله عضوي از خانواده فلورن هاست، كه باكي بال‌ها را نيز شامل مي‌شود. فلورن‌ها خوشه‌ي بزرگي از اتم‌هاي كربن در قالب يك قفس بسته مي‌باشند و از ويژگي هاي خاصي برخوردارند كه پيش از اين در هيچ تركيب ديگري يافت نشده بودند. بنابراين، فلورن‌ها به طور كلي خانواده‌اي جالب توجه از تركيب‌ها را تشكيل مي‌دهند كه به طور قطع در كاربردها و فناوري‌هاي آينده مورد استفاده وسيع قرار خواهند گرفت.

ساختارهاي عجيب و غريب زيادي از فلورن‌ها[2]، شامل: كروي منظم، مخروطي، لوله‌اي و همچنين اشكال پيچيده و عجيب ديگر وجود دارد. در اينجا ما به توضيح مهمترين و شناخته شده‌ترين آنها مي‌پرد از يم. ساختار باکي بال[3] در شكل كره و نانولوله به شكل استوانه است كه معمولاً لااقل يك سر آن با درپوش نيم كروي از ساختار باکي بال پوشيده شده است (شكل 1-2) .

شکل 1-2: اشکال متفاوت مواد با پايه کربن

نام آن از اندازه‌اش گرفته شده، زيرا قطر آن در ابعاد نانومتر (تقريباً 50000 برابر كوچكتر از قطر موي سر انسان) بوده و اين در حالي است كه طول آن مي‌تواند به بلندي چند ميليمتر برسد. طول بلند چندين ميكروني و قطر كوچك چند نانومتري آنها نسبت طول به قطر بسيار بزرگي را نتيجه مي‌دهد. لذا مي‌توان آنها را تقريباً به صورت فلورن‌هاي يك بعدي در نظر گرفت. بدين ترتيب انتظار مي‌رود اين مواد از خواص جالب الكترونيكي، مكانيكي و مولكولي ويژه‌اي برخوردار باشند. مخصوصاً در اوايل، تمام مطالعات تئوري نانولوله‌هاي كربني به بررسي اثر ساختار تقريباً يك بعدي آنها بر روي خواص مولكولي و الكترونيكي‌شان معطوف مي‌شد.

نانولوله‌ها در دو دسته‌ي اصلي وجود دارند: نانولوله‌هاي تك ديواره [4](نانولوله ي کربني تک ديوارهs) و نانو لوله‌هاي چند ديواره [5](MWNTs). نانولوله‌هاي تك ديواره را مي‌توان به صورت ورقه‌هاي بلند گرافيت در نظر گرفت كه به شكل استوانه پيچيده شده‌اند. نسبت طول به قطر نانولوله‌ها در حدود 1000 بوده و همانگونه كه قبلاً ذكر شد مي‌توان آنها را به عنوان ساختارهاي تقريباً يك بعدي در نظر گرفت. نانولوله‌ها مشابه گرافيت تماماً از هيبريد SP² تشكيل شده‌اند،. اين ساختار هيبريدي، از هيبريد SP³ كه در الماس وجود دارد قويتر است و استحكام منحصر به فردي به اين مولكول‌ها مي‌دهد. نانولوله‌ها معمولاً تحت نيروهاي واندروالس[6] به شكل ريسمان به هم مي‌چسبند. تحت فشار زياد، نانولوله‌ها مي‌توانند با هم ممزوج و متصل شوند و اين امكان به وجود مي‌آيد كه بتوان سيم‌هاي به طول نامحدود و بسيار مستحكمي را توليد كرد.

1-2-2 كشف نانولوله

در سال 2006 مارك مونتيوكس[7] و ولاديمير كوزنشف[8] در مقاله‌اي در ژورنال كربن به بيان مبدأ و منشا جالب، و اغلب تحريف شده‌ي نانولوله‌ها پرداخته‌اند. اغلب مقالات معروف و علمي، كشف لوله‌هاي نانومتري توخالي كربني را به سوميوايجيما[9] از NEC در سال 1991 نسبت مي‌دهند.

وليكن تاريخ لوله‌هاي نانومتري كربن گرافيتي به گذشته‌اي دور در سال 1952 بر مي‌گردد. در آن سال رادشكويچ[10] و لوكيانويچ[11] تصاوير واضحي از لوله‌هاي 50 نانومتري كربني را در مجله‌ي روسي «شيمي فيزيكي» به چاپ رساندند. ممكن است نانولوله‌هاي كربني حتي قبل از آن سال هم ساخته شده بودند ولي تا زمان اختراع TEM امكان مشاهده‌ي مستقيم اين ساختارها فراهم نبوده است (اشکال 1-3، 4، 5) . دانشمندان در غرب متوجه اين كشف نشده بودند زيرا به دليل جنگ سرد، تبادل اطلاعاتي بين شرق و غرب بسيار ضعيف بود، و نيز مقاله به زبان روسي به چاپ رسيده بود.

[1] Carbon Nano Tubes

[2] Fullerene

[3] Bucky Ball C₆₀

[4] Single-Walled Nano Tubes

[5] Multi-Walled Nano Tubes

[6] Van der waals

[7] Marc Monthioux

[8] Vladimir Kuznetsov

[9] Sumio Ijima

[10] Radushkevich

[11] Lukyanovich

فهرست علائم ر

فهرست جداول ز

فهرست اشکال س

چکیده 1

فصل اول

مقدمه نانو 3

1-1 مقدمه 4

1-1-1 فناوری نانو 4

1-2 معرفی نانولوله‌های كربنی 5

1-2-1 ساختار نانو لوله‌های كربنی 5

1-2-2 كشف نانولوله 7

1-3 تاریخچه 10

فصل دوم

خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی 14

2-1 مقدمه 15

2-2 انواع نانولوله‌های كربنی 16

2-2-1 نانولوله‌ی كربنی تك دیواره (SWCNT) 16

2-2-2 نانولوله‌ی كربنی چند دیواره (MWNT) 19

2-3 مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی 21

2-3-1 ساختار یک نانو لوله تک دیواره 21

2-3-2 طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره 24

2-4 خواص نانو لوله های کربنی 25

2-4-1 خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن 29

2-4-1-1 مدول الاستیسیته 29

2-4-1-2 تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک 33

2-4-1-3 تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها 36

2-5 کاربردهای نانو فناوری 39

2-5-1 کاربردهای نانولوله‌های كربنی 40

2-5-1-1 كاربرد در ساختار مواد 41

2-5-1-2 كاربردهای الكتریكی و مغناطیسی 43

2-5-1-3 كاربردهای شیمیایی 46

2-5-1-4 كاربردهای مكانیكی 47

فصل سوم

روش های سنتز نانو لوله های کربنی 55

3-1 فرایندهای تولید نانولوله های کربنی 56

3-1-1 تخلیه از قوس الکتریکی 56

3-1-2 تبخیر/ سایش لیزری 58

3-1-3 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD) 59

3-1-4 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD ) 61

3-1-5 رشد فاز بخار 62

3-1-6 الکترولیز 62

3-1-7 سنتز شعله 63

3-1-8 خالص سازی نانولوله های كربنی 63

3-2 تجهیزات 64

3-2-1 میكروسكوپ های الكترونی 66

3-2-2 میكروسكوپ الكترونی عبوری (TEM) 67

3-2-3 میكروسكوپ الكترونی پیمایشی یا پویشی (SEM) 68

3-2-4 میكروسكوپ های پروب پیمایشگر (SPM) 70

3-2-4-1 میكروسكوپ های نیروی اتمی (AFM) 70

3-2-4-2 میكروسكوپ های تونل زنی پیمایشگر (STM) 71

فصل چهارم

شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته 73

4-1 مقدمه 74

4-2 مواد در مقیاس نانو 75

4-2-1 مواد محاسباتی 75

4-2-2 مواد نانوساختار 76

4-3 مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو 77

4-3-1 چارچوب های تئوری در تحلیل مواد 77

4-3-1-1 چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد 77

4-4 روش های شبیه سازی 79

4-4-1 روش دینامیک مولکولی 79

4-4-2 روش مونت کارلو 80

4-4-3 روش محیط پیوسته 80

4-4-4 مکانیک میکرو 81

4-4-5 روش المان محدود (FEM) 81

4-4-6 محیط پیوسته مؤثر 81

4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی 83

4-5-1 مدلهای مولکولی 83

4-5-1-1 مدل مکانیک مولکولی ( دینامیک مولکولی) 83

4-5-1-2 روش اب انیشو 86

4-5-1-3 روش تایت باندینگ 86

4-5-1-4 محدودیت های مدل های مولکولی 87

4-5-2 مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها 87

4-5-2-1 مدل یاکوبسون 88

4-5-2-2 مدل کوشی بورن 89

4-5-2-3 مدل خرپایی 89

4-5-2-4 مدل قاب فضایی 92

4-6 محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته 95

4-6-1 کاربرد مدل پوسته پیوسته 97

4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل 97

4-6-3 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله 98

4-6-4 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله 99

4-6-5 محدودیتهای مدل پوسته پیوسته 99

4-6-5-1 محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته 99

4-6-5-2 محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته 99

4-6-6 کاربرد مدل تیر پیوسته 100

فصل پنجم

مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی 102

5-1 مقدمه 103

5-2 نیرو در دینامیک مولکولی 104

5-2-1 نیروهای بین اتمی 104

5-2-1-1 پتانسیلهای جفتی 105

5-2-1-2 پتانسیلهای چندتایی 109

5-2-2 میدانهای خارجی نیرو 111

5-3 بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته 111

5-4 ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی 113

5-4-1 مدل انرژی- معادل 114

5-4-1-1 خصوصیات محوری نانولوله های کربنی تک دیواره 115

5-4-1-2 خصوصیات محیطی نانولوله های کربنی تک دیواره 124

5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS 131

5-4-2-1 تکنیک عددی بر اساس المان محدود 131

5-4-2-2 ارائه 3 مدل تدوین شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS 141

5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB 155

5-4-3-1 مقدمه 155

5-4-3-2 ماتریس الاستیسیته 157

5-4-3-3 آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی 158

5-4-3-4 تعیین و نگاشت المان 158

5-4-3-5 ماتریس کرنش-جابجائی 161

5-4-3-6 ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای 162

5-4-3-7 ماتریس سختی برای یک حلقه کربن 163

5-4-3-8 ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه 167

5-4-3-9 مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه 168

فصل ششم

نتایج 171

6-1 نتایج حاصل از مدل انرژی-معادل 172

6-1-1 خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره 173

6-1-2 خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره 176

6-2 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS 181

6-2-1 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 ]54MATLAB [ 182

6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره 192

6-3 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB 196

فصل هفتم

نتیجه گیری و پیشنهادات 203

7-1 نتیجه گیری 204

7-2 پیشنهادات 206

فهرست مراجع

فرمت فایل: Word (قابل ویرایش)

تعداد صفحات: 240

حجم: 12.6 مگابایت

پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال

دانلود پژوهش مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانو لوله های کربنی