پایان نامه مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله کربنی

پایان نامه جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد در
رشته مهندسی مکانیک – گرایش طراحی کاربردی

عنوان:

مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

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:

1. مدل انرژي- معادل
2. مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS
3. مدل اجزاء محدود بوسيله کد عددي تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB

فهرست مطالب
عنوان                                                   صفحه

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 معرفي نانولوله‌هاي كربني    5
1-2-1 ساختار نانو لوله‌هاي كربني    5
1-2-2 كشف نانولوله    7
1-3 تاريخچه    10

فصل دوم
خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی    14
2-1 مقدمه    15
2-2 انواع نانولوله‌هاي كربني    16
2-2-1 نانولوله‌ي كربني تك ديواره (SWCNT)    16
2-2-2 نانولوله‌ي كربني چند ديواره (MWNT)    19
2-3 مشخصات ساختاري نانو لوله هاي کربني    21
2-3-1 ساختار يک نانو لوله تک ديواره    21
2-3-2 طول پيوند و قطر نانو لوله کربني تک ديواره    24
2-4 خواص نانو لوله هاي کربني    25
2-4-1 خواص مکانيکي و رفتار نانو لوله هاي کربن    29
2-4-1-1 مدول الاستيسيته    29
2-4-1-2 تغيير شکل نانو لوله ها تحت فشار هيدرواستاتيک    33
2-4-1-3 تغيير شکل پلاستيک و تسليم نانو لوله ها    36
2-5 کاربردهاي نانو فناوري    39
2-5-1 کاربردهاي نانولوله‌هاي كربني    40
2-5-1-1 كاربرد در ساختار مواد    41
2-5-1-2 كاربردهاي الكتريكي و مغناطيسي    43
2-5-1-3 كاربردهاي شيميايي    46
2-5-1-4 كاربردهاي مكانيكي    47

فصل سوم
روش های سنتز نانو لوله های کربنی     55
3-1 فرايندهاي توليد نانولوله هاي کربني    56
3-1-1 تخليه از قوس الکتريکي    56
3-1-2 تبخير/ سايش ليزري    58
3-1-3 رسوب دهي شيميايي بخار به کمک حرارت(CVD)    59
3-1-4 رسوب دهي شيميايي بخار به کمک پلاسما (PECVD )    61
3-1-5 رشد فاز  بخار    62
3-1-6 الکتروليز    62
3-1-7 سنتز شعله    63
3-1-8 خالص سازي نانولوله هاي كربني    63
3-2 تجهيزات    64
3-2-1 ميكروسكوپ هاي الكتروني    66
3-2-2 ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM)    67
3-2-3 ميكروسكوپ الكتروني پيمايشي يا پويشي (SEM)    68
3-2-4 ميكروسكوپ هاي پروب پيمايشگر (SPM)    70
3-2-4-1 ميكروسكوپ هاي نيروي اتمي (AFM)    70
3-2-4-2 ميكروسكوپ هاي تونل زني پيمايشگر (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 مقياس نانو    75
4-2-1 مواد محاسباتي    75
4-2-2 مواد نانوساختار    76
4-3 مباني تئوري تحليل مواد در مقياس نانو    77
4-3-1 چارچوب هاي تئوري در تحليل مواد    77
4-3-1-1 چارچوب محيط پيوسته در تحليل مواد    77
4-4 روش هاي شبيه سازي    79
4-4-1 روش ديناميک مولکولي    79
4-4-2 روش مونت کارلو    80
4-4-3 روش محيط پيوسته    80
4-4-4 مکانيک ميکرو    81
4-4-5 روش المان محدود (FEM)    81
4-4-6 محيط پيوسته مؤثر    81
4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی    83
4-5-1 مدلهای مولکولی    83
4-5-1-1 مدل مکانيک مولکولي ( ديناميک مولکولي)    83
4-5-1-2 روش اب انيشو    86
4-5-1-3 روش تايت باندينگ    86
4-5-1-4 محدوديت هاي مدل هاي مولکولي    87
4-5-2 مدل محيط پيوسته در مدلسازي نانولوله ها    87
4-5-2-1 مدل ياکوبسون    88
4-5-2-2 مدل کوشي بورن    89
4-5-2-3 مدل خرپايي    89
4-5-2-4 مدل  قاب فضايي    92
4-6 محدوده کاربرد مدل محيط پيوسته    95
4-6-1 کاربرد مدل پوسته پيوسته    97
4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روي تغيير شکل    97
4-6-3 اثرات ضخامت تخميني بر کمانش نانولوله    98
4-6-4 اثرات ضخامت تخميني بر کمانش نانولوله    99
4-6-5 محدوديتهاي مدل پوسته پيوسته    99
4-6-5-1 محدوديت تعاريف در پوسته پيوسته    99
4-6-5-2 محدوديت هاي تئوري کلاسيک محيط پيوسته    99
4-6-6 کاربرد مدل تير پيوسته      100

فصل پنجم
مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی     102
5-1 مقدمه    103
5-2 نيرو در ديناميک مولکولي    104
5-2-1 نيروهاي بين اتمي    104
5-2-1-1 پتانسيلهاي جفتي    105
5-2-1-2 پتانسيلهاي چندتايي    109
5-2-2 ميدانهاي خارجي نيرو    111
5-3 بررسي مدل هاي محيط پيوسته گذشته    111
5-4 ارائه مدل هاي تدوين شده براي شبيه سازي نانولوله هاي کربني    113
5-4-1 مدل انرژي- معادل    114
5-4-1-1 خصوصيات  محوري نانولوله هاي کربني تک ديواره    115
5-4-1-2 خصوصيات  محيطي نانولوله هاي کربني تک ديواره    124
5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS    131
5-4-2-1 تکنيک عددي بر اساس المان محدود    131
5-4-2-2 ارائه 3 مدل تدوين شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS    141
5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسيله کد عددي تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB    155
5-4-3-1 مقدمه    155
5-4-3-2 ماتريس الاستيسيته    157
5-4-3-3 آناليز خطي و روش اجزاء محدود برپايه جابجائي    158
5-4-3-4 تعيين و نگاشت المان    158
5-4-3-5 ماتريس کرنش-جابجائي    161
5-4-3-6 ماتريس سختي براي يک المان ذوزنقه اي    162
5-4-3-7 ماتريس سختي براي يک حلقه کربن    163
5-4-3-8 ماتريس سختي براي يک ورق گرافيتي تک لايه    167
5-4-3-9 مدل پيوسته به منظور تعيين خواص مکانيکي ورق گرافيتي تک لايه    168

فصل ششم
نتایج    171
6-1 نتايج حاصل از مدل انرژي-معادل    172
6-1-1 خصوصيات محوري نانولوله کربني تک ديواره    173
6-1-2 خصوصيات محيطي نانولوله کربني تک ديواره    176
6-2 نتايج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS    181
6-2-1 نحوه مش بندي المان محدود نانولوله هاي کربني تک ديواره در نرم افزار ANSYS و ايجاد ساختار قاب فضايي و مدل سيمي به کمک نرم افزار ]54MATLAB [    182
6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربني تک ديواره    192
6-3 نتايج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسيله کد تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB    196

فصل هفتم
نتیجه گیری و پیشنهادات     203
7-1 نتيجه گيري    204
7-2 پيشنهادات    206

فهرست مراجع     207