بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، تأثیر پارامتر تراکم، دما و کسر حجمی روي خیز تیر اویلر برنولی کامپوزیتی تقویت شده با نانولولهي کربنی پایه پلیمري حافظهدار، بررسی میشود. ضریب کشسانی عرضی این کامپوزیتها، تابعی از پارامترهاي مذکور میباشد. معادله خیز تیر اویلر برنولی با استفاده از روش انرژي و حساب تغییرات بدست آمده، سپس با استفاده از روش ناویر رابطه خیز تیر اویلر برنولی بر حسب پارامتر تراکم توده، دما، کسر حجمی، عدد موج طولی و بار گسترده بدست میآید. مطابق با نتایج، با افزایش دما سفتی تیر کاهش یافته، لذا خیز تیر افزایش مییابد. همچنین نتایج این تحقیق نشان میدهد که با افزایش پارامتر تراکم توده سفتی تیر کاهش یافته، لذا خیز تیر اویلر برنولی افزایش مییابد. درحالیکه با افزایش کسر حجمی نانو لوله کربنی سفتی تیر اویلر برنولی افزایش یافته و در نتیجه خیز آن کاهش مییابد.
واژه هاي کلیدي
نانولولهي کربنی پایهپلیمري حافظهدار- کامپوزیت- ضریب کشسانی عرضی- پارامتر تراکم توده- دما-کسرحجمی نانولولهي کربنی.
مقدمه
مواد پایه پلیمري حافظهدار - SMP - ، مواد هوشمند پلیمري هستند که میتوانند تحت تأثیر یک محرك خارجی مانند دما، نور، تغییر در میدان الکتریکی یا مغناطیسی، از یک حالتی - حالت موقت - به حالت دیگر تغییر شکل دائمی دهند. به این صورت که ابتدا شکل اولیه و دائمی ماده با روشهاي معمول ایجاد میشود، سپس ماده تحت فرآیندي مانند حرارت دادن، تغییر شکل دادن و سر انجام سرد کردن به یک حالت موقت تغییر شکل داده میشود . محصول نهایی، این شکل موقت خود را تا زمانی که تحت تأثیر یک محرك مشخص خارجی قرار نگرفته است، حفظ میکند.[1] مواد جدید قادر به تغییر شکل بین حالت دائمی و موقت تا بیش از %400 هستند.
نانولولههاي کربنی باعث افزایش و بهبود خصوصیات فیزیکی و مکانیکی پلیمرها میشوند و همچنین، خواص الکتریکی و گرمایی رزینها را نیز بهبود میدهند.[2] قطر این نانولولهها میتواند از 1 تا 100 نانومتر باشد و ضریب شکل - طول به قطر - بیشتر از 100 یا حتی 1000 باشد. مانند سیلیکاتهاي لایهاي ماهیت غیرهمسانگردي این لولهها باعث میشود که در کسر حجمی کمی از نانولولهها، رفتار جالبی در این نانوکامپوزیتها پیدا شود.[1] بسته به نوع فرآیند تولید کامپوزیتها، نحوهي توزیع نانولولهها متفاوت خواهد بود و لذا پارامتر تراکم تغییر خواهد کرد و در نهایت ضریب کشسانی عرضی تحت تأثیر قرار خواهد گرفت.[3] با افزایش کسر حجمی نانولولههاي کربنی، استحکام کامپوزیت تحت تأثیر قرار گرفته، لذا مقاومت در برابر تغییر شکل افزایش مییابد. بخشهاي صنعتی خواهان آن هستند که با استفاده از نانولولههاي کربنی، استحکام مکانیکی، سفتی و رسانایی الکتریکی کامپوزیتها افزایش یابد.[4]
کردانی و همکاران [5] رفتار مکانیکی-حرارتی کامپوزیتهاي تقویت شده با نانولولهها را بررسی کرده و تأثیر افزایش درصد حجمی نانولولهها روي استحکام کامپوزیتها بررسی نمودند. آنها دریافتند که استحکام کامپوزیتها با افزایش درصد حجمی نانولولهها افزایش مییابد . صفایی و همکاران [6] در مطالعهي خود تأثیر نوع و نحوهي توزیع نانولولههاي کربنی را در تغییر خواص مکانیکی کامپوزیتها بررسی کردند.
در این مقاله تأثیر پارامتر تراکم توده، دما، کسر حجمی روي خیز تیر اویلر برنولی کامپوزیتی تقویتشده با نانولولهي کربنی پایهپلیمري حافظهدار بررسی میشود.
تأثیر پارامتر تراکم توده روي نانو لوله کربنی
افزودن نانو لولههاي کربنی، موجب بهبود خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی زمینه می شود. پارامتر تراکم توده در واقع مبین نسبت حجم نانولولههاي موجود در توده به کل حجم نانولولههاي موجود در کامپوزیت است. نانولولههاي کربنی به علت وجود نیروهاي واندروالسی قوي میتواند در یک منطقه تجمع کرده و به سرعت تشکیل توده دهند. با توجه به اینکه یکی از وظایف زمینه در کامپوزیت انتقال نیرو به الیاف است، لذا هرچه سطح تماس زمینه با الیاف بیشتر باشد این انتقال نیرو بهتر صورت میگیرد و در نتیجه استحکام افزایش مییابد.
از طرفی، توزیع یکنواخت نانولولههاي کربنی درون زمینه باعث پرشدن حفرههاي داخل زمینه و در نتیجه افزایش چگالی نسبی میشود. از طرفی افزایش بیش از حد نانولولهها باعث تودهاي شدن و تجمع آنها در زمینه میشود و خواص مکانیکی زمینه افت خواهد کرد. البته توزیع نانولولههاي کربنی با دشواريهایی همراه است. نانولولههاي کربنی داراي نسبت سطح به حجم و انعطافپذیري بسیار بالا و همچنین همراه با ناخالصیهایی همچون ذرات گرافیت،کربن و آمورف و ذرات کاتالیست هستند و تمایل دارند بصورت خمیده باشند و به یکدیگر بچسبند. همچنین به دلیل اختلاف بسیار زیاد اندازهي پودر فلزي با نانولولههاي کربنی، رسیدن به یک توزیع همگن به سادگی امکانپذیر نیست. کاهش نسبت سطح به حجم و حذف ناخالصیها توسط اسیدشویی و عاملدار کردن نانولولههاي کربنی و همچنین استفاده از انرژي فراصوتی و آسیاکاري مکانیکی نانولولهها باعث تضعیف نیروهاي واندروالسی نانولولهها می شود و در نتیجه توزیع یکنواخت آنها درون زمینه خواهد شد.
سطح فصل مشترك نانولولهها با زمینه بسیار زیاد است و از طرفی استحکام کامپوزیت بستگی زیادي به شیمی، ساختار و پیوند بین اتمی در فصل مشترك دارد. زیرا انتقال بار از زمینه به تقویت کننده - که استحکام بیشتري دارد - از طریق فصل مشترك صورت میگیرد. لذا با توجه به مطالب ذکر شده، نحوهي توزیع نانولولهها در زمینه یا به عبارت دیگر پارامتر تراکم توده، بر استحکام کامپوزیتها و یا مقاومت در برابر تغییر شکل آنها تأثیرگذار است و انتظار میرود هرچه این توزیع یکنواختتر شود، تغییر شکل کاهش یابد.
تأثیر دما روي نانو لوله کربنی
با توجه به رابطهي بهدست آمده براي ضریب کشسانی عرضی کامپوزیتهاي تقویت شده با نانولولههاي کربنی پایه پلیمري حافظه-دار، که مؤید نتایج تجربی نیز میباشد، با افزایش دما ضریب کشسانی عرضی کاهش مییابد که معادل افزایش سفتی و به عبارت دیگر کاهش مقاومت در برابر تغییر شکل میباشد. لذا با افزایش دما، انتظار میرود تغییر شکل افزایش یابد.
تأثیر کسر حجمی روي نانو لوله کربنی
اگر ساخت کامپوزیت بهدرستی انجام گیرد، افزایش استحکام اتفاق میافتد. بنابراین میتوان این افزایش خواص را به حضور مادهي افزودنی نسبت داد. در مورد استحکام یک کامپوزیت می توان رابطهي اختلاط کامپوزیتها را نوشت. در رابطه اختلاط، به علت بیشتر بودن استحکام مادهي تقویت کننده از مادهي زمینه، در مجموع استحکام افزایش یافته و لذا انتظار میرود تغییر شکل کاهش یابد.
تأثیر پارامتر تراکم توده، دما و کسر حجمی روي خیز تیر
در این مقاله، تأثیر پارامتر تراکم توده، دما و کسر حجمی روي خیز تیر اویلر برنولی تقویت شده با نانو لوله کربنی پایه پلیمري حافظهدار بررسی میشود. میدان جابجایی براي تیر اویلر برنولی به صورت زیر بیان میشود:
که در رابطهي فوقm، x، L، ، I، P و w به ترتیب نشاندهندهي عدد موج طولی، مختصات طول تیر، طول تیر، پارامتر تراکم، گشتاور دوم سطح، بار عرضی وارد به تیر و تغییر شکل عرضی تیر هستند. همانطور که از رابطهي فوق مشخص است با افزایش ضریب کشسانی عرضی کامپوزیت، میزان تغییر شکل کاهش مییابد. دلیل این امر این است که همزمان با افزایش ضریب کشسانی عرضی، استحکام نیز افزایش پیدا می کند و رفتار چغرمگی تیر نیز بهبود مییابد و تغییر شکل کاهش مییابد.
بحث و نتیجه گیري
در این مقاله، ضریب کشسانی عرضی کامپوزیت به صورت تابعی جداییپذیر برحسب پارامتر تراکم، دما و کسر حجمی نانولوله در نظر گرفته شده است. با تغییر پارامترهاي فوق، میتوان تاثیر هر پارامتر را به صورت جداگانه روي ضریب کشسانی عرضی تیر و تغییرشکل تیر اویلر برنولی ارزیابی نمود. طبق جدول 1، ضریب کشسانی عرضی کامپوزیت با پارامتر تراکم و دما، نسبت عکس و با پارامتر کسر حجمی نانولوله نسبت مستقیم دارد.
جدول :1 محاسبه ضریب کشسانی عرضی با استفاده از مقادیر پارامتر تراکم توده، دما و کسر حجمی نانولولهي کربنی
شکل 1 تاثیر پارامتر تراکم توده روي تغییر شکل تیر در راستاي طول تیر - با فرض - T=298K ,υ=0.2 را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود با افزایش پارامتر تراکم توده در محدوده بزرگتر از کسر حجمی توده، استحکام تیر کاهش و بنابراین تغییرشکل تیر، طبق پیشبینی افزایش مییابد.
شکل:1تأثیر پارامتر تراکم توده روي تغییر شکل تیر - در - T=298K ,υ=0.2
در شکل 2 تاثیر دماهاي مختلف بر روي تغییر شکل تیر در راستاي طول تیر - - ξ =0.2, υ=0.2 نشان داده شده است. با افزایش دما سفتی تیر کاهش و لذا تغییرشکل تیر افزایش مییابد.
شکل :2 تأثیر دما روي تغییر شکل تیر - ξ =0.2, υ=0. 2 -
شکل 3 تاثیر کسر حجمی نانولولههاي کربنی بر روي تغییر شکل تیر در راستاي طول تیر - با فرض - ξ =0.2, T=298K نشان میدهد. با کاهش کسر حجمی نانولوله هاي کربنی، سفتی تیر اویلر برنولی کاهش یافته، لذا خیز تیر افزایش مییابد.
