دانلود پایان نامه مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

240 صفحه word

فهرست مطالب

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. 1

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

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

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….

خلاصه فایل

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

استحكام و الاستيسيته

نانولوله‌هاي تك ديواره سفت‌تر و سخت‌تر  از  فولاد مي‌باشند و در اثر نيروهاي فيزيكي – مكانيكي، در برابر آسيب مقاوم مي‌باشند. فشار دادن نوك نانولوله  سبب انحناي آن مي‌گردد بدون آنكه نوك آن صدمه ببيند. هنگامي كه نيرو برداشته شود، نوك نانولوله  به حالت نخستين خود باز  مي‌گردد. اندازه‌گيري كمي اين تأثيرات، در هر صورت بسيار دشوار است و بر روي يك مقدار عددي دقيق نمي‌توان توافق حاصل كرد. با استفاده  از  يك دستگاه AFM، سرهاي بآرامي دور شده و  آزاد  از  نانولوله هاي رها و متصل نشده به جايي را مي‌توان به خارج  از  وضعيت تعادلي‌شان كشاند و نيروي مورد نياز  براي هل دادن نانولوله  را اندازه  گرفت. مقدار مدول يانگ فعلي نانولوله هاي تك ديواره در حدود 1TPa مي باشد اما اين مقدار مورد ترديد قرار گرفته است و مقداري به بزرگي 1.8TPa گزارش شده است. محققين ديگر، همچنين مقادير مختلفي را گزارش كرده‌اند. يك نانولوله  صندلي راحتي (10 , 10) مدول يانگ برابر 640.30 GPa دارد و براي يك نانولوله  زيگزاگ (17 ,0) مدول يانگ….

-1 فرايندهاي توليد نانولوله هاي کربني

روشهاي زيادي براي ساختن نانولوله ها و فولرنها وجود دارند. فولرنها، نخستين بار  از  طريق تبخير گرافيت با يك ليزر (سايش ليزري) مشاهده شده بودند. در هر صورت، در ابتدا، اين روش براي تهيه مقادير در حد گرم و يا بيشتر عملي عملي نبود. نانوتيونهاي كربني احتمالاً  از  خيلي وقتهاي پيش وجود داشته‌اند و در حين رسوب گذاري فاز  بخار كربن ديده شده‌اند اما ميكروسكوپ هاي الكتروني هنوز به اندازه كافي توسعه داده نشده بود كه شكلها و انواع مختلف نانولوله ها را  از  هم متمايز نموده و تشخيص دهد.

تعدادي  از  روش هايي که در توليد نانولوله ها (تک ديواره و چند ديواره) کاربرد دارند….

تخليه الكتريكي  از  طريق قوس الكتريكي و تبخير ليزري، در حال حاضر روشهاي اصلي به دست آوردن مقاديري  از  نانولوله هاي كربني با كيفيت بالا مي‌باشد. در هر حال، هر دو روش معايب خاص خود را دارند. نخست اينكه، هر دو روش مستلزم تبخير منبع كربني مي‌باشند بنحوي كه هنوز معلوم نشده كه چگونه مي‌توان توليد نانولوله  را در سطح صنعتي ودر مقياس بالا و با استفاده  از  اين روشها دنبال نمود. عيب دوم به اين حقيقت بر مي‌گردد كه روشهاي تبخير، نانولوله ها را در شكلهاي پرپيچ و تاب و با پيچيدگي بالا همراه با مخلوطي  از  شكلهاي ناخواسته  از  كربن يا گونه‌هاي فلزي رشد داده و ايجاد مي‌كند. اين نانولوله ها به سختي

-4-4 مکانيک ميکرو

به طور کلي در مکانيک محيط پيوسته ماده در مرزهاي مسئله به صورت يکنواخت فرض مي شود. در مقياس ميکرو، فرض يکنواختي ممکن است معتبر نباشد، در نتيجه ميکرومکانيک، براي بيان مقادير مربوط به المانهاي ماده بسيارکوچک که به شکل پارامترهايي که خواص سازه را تعيين مي کند، بکار مي رود. موضوع اصلي در اين روش، استفاده  از  المان حجم معرف[1]  که نماينده خواص آماري محل است، مي باشد.

4-4-5 روش المان محدود [2](FEM)

اين روش به عنوان روشي جايگزين براي حل معادلات ديفرانسيل در مسايل پيوسته تعريف شده است. مراحل روش المان محدود عبارتند  از:

1. جايگزيني محيط پيوسته با زير مجموعه هاي ترکيب شده
2. تعيين يک قانون پايه مناسب
3. انتخاب تابع ميانيابي

اندرکنشهاي کوتاه برد

در اتمهايي که به لحاظ بار الکتريکي خنثي هستند اندرکنشها با برد بلند وجود نخواهد داشت و در عوض تأثير متقابل اتمها از طريق ديگري انجام مي­پذيرد. دو نوع نيرو بين دو اتم در اين حالت وجود خواهد داشت. نيروهاي دافعه الکترون- الکترون و هسته- هسته و نيروهاي جاذبه هسته- الکترون. در فواصل دورتر نيروهاي جاذبه غالب خواهند بود و زماني که فاصله اتمي کاهش مي­يابد نيروهاي دافعه اثر بيشتري خواهند داشت. اين دو نيرو در نقطه­اي با يکديگر متعادل خواهند شد که همان فاصله تعادل اتمي خواهد بود. مدلهاي مختلفي براي بيان پتانسيل هاي جفتي اتمها…

-4-2 مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS

5-4-2-1 تکنيک عددي بر اساس المان محدود

براي محاسبات عددي (مطالعات عددي) ، نانو لوله کربني با يک مدل ساختاري معادل جايگزين مي شود. نانو لوله ها به صورت پوسته شبکه اي از اتم هاي کربن ديده مي شوند که از رول شدن يک ورق گرافيتي بدست مي آيند. از آنجائيکه اتم هاي کربن در هر دو شکل ورق گرافيت و نانو لوله رول شده، با پيوندهاي کووالانس با طول پيوند مشخص به يکديگر متصل شده اند، مي توان اتم هاي کربن را به عنوان نقاط ماده مشاهده کرد که با المان هاي تير تحمل کننده بار به يکديگر متصل شده اند ]17[ .

روابط متقابل مابين مکانيک مولکولي و مکانيک ساختاري براي برقراري تعادل بين دو مدل استفاده مي شود. از آن پس مدل ساختاري با استفاده…

ج)  مدل 3

همانطور که مشاهده کرديم تا کنون دو مدل براي تشکيل ساختار قاب فضايي به منظور آناليز المان محدود نانولوله هاي کربني به وجود آمده است، که در مدل 1  قطر و خواص الاستيک اعضاي قاب را تنها براي المان هاي تير متناظر با اندر کنش هاي پيوندي (کووالانس)  و با توجه به پتانسيل ترسف-برنر با فرض ثابت بودن خواص، محاسبه نموده (جدول5-1 و بخش روابط متقابل مکانيک و مولکولي و مکانيک ساختاري را ببينيد) ]18،27،33[ . البته در اين حالت مي توان رفتار پيوند کووالانس را غير خطي فرض کرد و خواص الاستيک آن را با استفاده از پتانسيل مورس به دست آورد ]34،45،49[  . در مدل 2 ديديم که از اثر نيروهاي واندروالس صرفنظر نشده و شش پيوند واندروالس به مسئله اضافه شد و قطر مؤثر و مدول الاستيک مؤثر براي المان شش گوشه اي کربن…

-1 نتيجه گيري

كربن به خاطر نقش مهمي که در پيوندهاي مولوکول هاي بنيادي در زندگي ما دارد، و به خاطر طبيعت منحصر بفرد پيوند کربن-کربن، بسيار مورد توجه قرار مي گيرد.

اين طبيعت متمايز در پيوند کربن-کربن، به آن اجازه تشکيل نانو ساختارهاي جالبي از جمله نانولوله هاي کربني، که شايد بتوان گفت که از هر نانوساختار ديگري پتانسيل کاربردي بيشتري دارد، را مي دهد.

خواص مکانيکي  و رفتار شگفت انگيز نانو لوله هاي کربني باعث جذب روز افزون جامعه مهندسي مکانيک به سمت خود مي شود.

در اين تحقيق به بررسي و آناليز رفتار نانولوله هاي کربنياز چند ديدگاه  مختلف پرداختيم، و مدل هاي تدوين شده به شرح زير ارائه شدند:

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

در اولين مدلسازي بر اساس يک رابطه بين مکانيک مولکولي و مکانيک جامدات، يک مدل انرژي-معادل براي مطالعه خواص مکانيکي نانولوله هاي کربني تک ديواره به کار گرفته شد. مدول يانگ و مدول برشي براي نانو لوله هاي کربني تک ديواره، وهمچنين…