بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، تحلیل خواص مکانیکیورقهای ساندویچی نانوکامپوزیتی تابعی تقویت شده با نانولولههای کربنی کلوخهای با استفاده روش اشلبی-موری-تاناکا بررسی میشود. رویههای نانوکامپوزیتی بکار رفته، ترکیبی از نانولولههای کربنی تک جداره تعبیه شده در یک ماده پسزمینه ایزوتروپیک است.
این مواد در مقادیر بالای ضریب - نسبت طول به قطر - و کسرحجمی نانولولهها، تمایل شدیدی به جذب یکدیگر و تشکیل کلوخههای نانولولهای دارند. این کلوخهها به شدت موجب کاهش خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها میشوند که با توزیع تابعی نانولولهها میتوان تاحدی این نقیصه را برطرف کرد. در این مقاله، تاثیر پارامترهای مؤثری همچون: جهتگیری، ، کسرحجمی و نوع توزیع نانولولههای کربنی بر خواص مکانیکی این صفحات بررسی خواهد شد.
-1 مقدمه
نانوکامپوزیتها، مواد مرکبی هستند که حداقل یکی از اجزاء تشکیل دهنده آنها دارای ابعادی در محدوده نانومتری - یک تا صد نانومتر - باشد. مقادیر نیروهای واندروالسی و ضریب منظری1 - نسبت طول به قطر - در نانولولهها بسیار بالا است، لذا هنگامی که این نانوذرات در یک ماده زمینه قرار گرفتند و تشکیل یک نانوکامپوزیت را دادند، تمایل شدیدی به جذب یکدیگر و تشکیل کلوخههای نانولولهای دارند.
وجود این کلوخهها یا به بیان دیگر عدم توزیع یکنواخت نانوذرات در ماده زمینه، موجب افت قابل ملاحظهای در خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها میشود که در بیشتر تحقیقات تئوری این تاثیرات در نظر گرفته نشده است. در ادامه به بررسی برخی از تحقیقات انجام شده در زمینه تعیین خواص مکانیکی و تحلیلهای مکانیکی نانوکامپوزیتها، پرداخته خواهد شد .ایجیما و همکارانش در سال 1991 به روش تخلیه قوس الکتریکی، ابتدا نانولولههای کربنی چند جداره و پس از آن نانولولههای تک جداره را تولید کردند
با توجه به خواص مکانیکی فوق العاده نانولولههای کربنی، یکی از کاربردهای آن که امروزه در افق دید اغلب پژوهشگران و صاحبان صنایع گرفته است، استحکام بخشی به کامپوزیتها با اضافه نمودن کسر حجمی بسیار کمی از نانولوله میباشد. در توسعهی مواد کامپوزیتی، عامل مقاومساز یا مسلحکننده از اندازه میکرو و ماکرو به سمت نانو سوق پیدا کردهاند. نانوکامپوزیتها مواد مرکبی هستند که حداقل یکی از اجزاء تشکیل دهنده آنها دارای ابعادی در محدوده نانومتری - یک تا صد نانومتر - باشد
یکی از مهمترین مسائل در حوزه نانوکامپوزیتها، پیشبینی خواص مواد آنهاست. به همین دلیل اکثر مطالعات انجام شده در حوزهی مواد نانوکامپوزیت بر روی پیشبینی خواص آنها متمرکز شده است. از آنجایی که در استفاده از روشهای آزمایشگاهی موانع متعددی وجود دارد، استفاده از روشهای مدلسازی و شبیهسازی عددی برای بدست آوردن خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها، بیشتر مورد توجه محققین قرار گرفته است
در سال 2004، ژو و همکارانش پاسخ تنش-کرنش نانولوله کربن در رزین اپوکسی را مطالعه کردند و متوجه شدند که رشدی معادل با 30 تا 70 درصد در خواص مؤثر تنها با افزودن 1 الی 4 درصد وزنی نانولوله کربن، قابل حصول است.
در سال 2004، گریبل و هاماکرز [5] مدول الاستیک کامپوزیت نانولوله کربن/پلیمر را با استفاده از شبیهسازی دینامیکمولکولی بدست آوردند. آنها مدول الاستیک بدست آمده از کار خودشان را با نتایج حاصل از پیشبینی قانون اختلاط2 مقایسه کردند. نتایج تطابق خوبی با مقیاس ماکروسکوپی قانون اختلاط در حالت نانولوله کربن بلند و با قانون اختلاط بسط داده شده3 در حالت نانولوله کربن کوتاه داشتند.
در سال 2006، سانگو یان خصوصیات مؤثر الاستیک نانوکامپوزیت پر شده با نانولوله را، به دو صورت آزمایشگاهی و مدلسازی بدست آوردند و از روش اجزاء محدود برای مدلسازی استفاده کردند. آنها راستای نانولوله کربن را بطور دلخواه در داخل ماتریس فرض کردند و تطابق خوبی برای مدول یانگ بین نتایج عددی حاصل از مدلسازی به روش المان محدود و کار آزمایشگاهی بدست آوردند.
در سال 2013، جم و همکارانش [7] خواص الاستیک کامپوزیتهای تقویت شده با نانولولههای کربنی را توسط تکنیکهای میکرومکانیکی متنوعی محاسبه کردند. آنها یک نانولوله را در یک پلیمر مدل کرده و اثرات بین فازی آن را به روش موری-تاناکا4 بررسی کردند و متوجه شدند که تاثیر درصد کلوخهای بودن بر خواص مکانیکی بیشتر از ضخامت بین لایه-ای است. در سال 2016، آقاداوودی و همکارنش [8] با استفاده از روش دینامیک مولکولی، تاثیر نسبت پیوستگی رزین را بر خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیتهای پایه اپوکسی1 بررسی کردند و نشان دادند این نسبت باعث افزایش قابل توجه مدول یانگ میشود ولی تاثیر چندانی بر چگالی ندارد.
در این مقاله، تاثیر پارامترهای مؤثری همچون: جهتگیری، ، کسرحجمی و نوع توزیع نانولولههای کربنی بر خواص مکانیکی این صفحات بررسی خواهد شد برای تعیین خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها از روش اشلبی-موری-تاناکا که قادر به بررسی تاثیر جهتگیری و کلوخهای شدن نانولوله ها است
-1 کامپوزیتهای تقویتشده بانانولوله های همراستا
برای تخمین خواص مکانیکی این کامپوزیتها از روش موری- تاناکا استفاده میشود. این روش به علت وجود نانولولههای همراستا و بلند، نانوکامپوزیت را بصورت ارتوتروپیک - ایزوتروپیک عرضی - تقریب میزند و تنسور سختی آن طبق مدولهای الاستیک هیل، بصورت زیر میباشد
که در رابطه فوق E ، G و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت میباشد که از معکوس قانون اختلاط2 بدست میآید. همچنین زیر نویس L و T به ترتیب بیانگر جهت طولی و عرضی میباشد
