3-6-4-3 مدل هو34
3-6-4-4 مدل معو و روسي35
3-6-4-5 مدل ساختاري جديد36
فصل4: رفتار مکانيکي نانولوله کربني تحت ضربه43
4-1 مقدمه44
4-2 شبيهسازي ضربه روي نانولوله کربني45
4-2-1 بررسي صحت مدل وشبيهسازي50
4-2-2 زاويه گلوله60
4-2-3 قطر نانولوله کربني66
4-2-4 طول نانولوله کربني69
4-2-5 نوع نانولوله کربني72
4-2-6 تأثير عيوب بر روي رفتار مکانيکي نانولوله کربني تحت ضربه76
4-2-7 هندسه گلوله84
4-2-8 بررسي تأثير خطاي مدلسازي در تحقيق حاضر89
فصل5: نتيجهگيري و پيشنهادات91
5-1 نتيجهگيري92
5-2 پيشنهادات93
مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………94
فهرست اشکال
شکل (‏2-1): مدول يانگ نانولوله کربني تکجداره به عنوان تابعي از نسبت ظاهري نانولوله10
شکل (‏2-2): نانوکامپوزيت شبيهسازي شده در آباکوس، شامل نانولوله و ماتريس11
شکل (‏2-3): مدل اوليه نانولوله کربني (الف): دو سر گيردار و (ب): يک سر گيردار12
شکل (‏2-4): ارتباط ميان جذب انرژي و ارتفاع نسبي محل برخورد گلوله در نانولوله کربني يک سر گيردار به قطر 75/0 نانومتر13
شکل (‏2-5): انرژي جذب‌ شده نرماله شده توسط نانولوله کربني با سه قطر مختلف بر حسب ارتفاع نسبي محل برخورد گلوله14
شکل (‏2-6): نمودار ويژگيهاي مختلف گلوله بر حسب زمان 1: سرعت گلوله 2: جابجايي گلوله و نانولوله 3: جابجايي گلوله براي نانولوله کربني به قطر 41/1 نانومتر14
شکل (‏3-1): نمايي از ساختار اتمي C6017
شکل (‏3-2): مکانيزم ساخت نانولوله کربني18
شکل (‏3-3): سه نوع ساختار مختلف نانولوله کربني19
شکل (‏3-4): برهمکنش کشش پيوند در اتمهاي کربن21
شکل (‏3-5): برهمکنش خمش زاويهاي در اتمهاي کربن22
شکل (‏3-6): برهمکنش پيچش دو سطحي در اتمهاي کربن23
شکل (‏3-7): برهمکنش پيچش خارج صفحهاي در اتمهاي کربن24
شکل (‏3-8): برهمکنش واندروالس در اتمهاي کربن24
شکل (‏3-9): پيوند کربن-کربن: (الف) مدل فيزيکي، (ب) مدل FE کشش پيوند،(ج) مدل FE خمش پيوند35
شکل (‏3-10): پارامترهاي مربوط به يک سلول واحد شش ضلعي38
شکل (‏3-11): نحوه قرارگرفتن دستگاه مختصات محلي بر روي مرکز اتم‌هاي کربن40
شکل (‏3-12): المانهاي فنر و رابط متناظر با برهمکنش اتمهاي کربن41
شکل (‏3-13): تصوير يک نانولوله کربني زيگزاگ در فضاي CAE نرم‌افزار آباکوس41
شکل (‏4-1): قطعه صلب طراحي شده به عنوان گلوله46
شکل (‏4-2): مونتاژ گلوله در کنار نانولوله کربني با طول 18/5 نانومتر در دو نما46
شکل (‏4-3): المان بندي اتم کربن48
شکل (‏4-4): پارامترهاي مختلف موقعيت گلوله قبل از برخورد51
شکل (‏4-5): موقعيتهاي مختلف گلوله در ارتفاعهاي نسبي متفاوت قبل از برخورد51
شکل (‏4-6): نمودار انرژي بر حسب زمان در حالت برخورد گلوله به نانولوله کربني در ارتفاع نسبي 5/0=z53
شکل (‏4-7): منحني انرژي جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبي (الف) تحقيق حاضر (ب) ژانگ و ميلواگنام54
شکل (‏4-8): نمودار سرعت- زمان گلوله در موقعيتهاي مختلف55
شکل (‏4-9): حداکثر تغيير شکل متناظر با کانتور جابجايي نانولوله کربني دو سرگيردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله براي ارتفاعهاي نسبي متفاوت گلوله (الف)0.3=z (ب) 0.4=z (ج) 0.5=z56
شکل (‏4-10): منحني انرژي جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبي (الف) تحقيق حاضر (ب) ژانگ و ميلواگنام58
شکل (‏4-11): حداکثر تغيير شکل متناظر با کانتور جابجايي نانولوله کربني يک سرگيردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله براي ارتفاعهاي نسبي متفاوت گلوله (الف)0.3=z، (ب) 0.4=z، (ج) 0.5=z، (د) 0.6=z59
شکل (‏4-12) : حداکثر جابجايي نانولوله کربني، (الف) يک سرگيردار، (ب) دو سرگيردار، در ارتفاع نسبي 5/0 براي گلوله60
شکل (‏4-13): مسير برخوردگلوله زاويهدار و افقي به نانولوله کربني61
شکل (‏4-14): منحني تغييرات انرژي جذب شده نرماله شده توسط نانولوله کربني بر حسب زاويه گلوله62
شکل (‏4-15): حداکثر تغيير شکل متناظر با کانتور جابجايي نانولوله کربني دو سرگيردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله براي زواياي متفاوت گلوله (الف)0=?، (ب) 15=?، (ج) 30=?، (د) 45=?، (ه) 60=?64

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل (‏4-16): سير حرکتي گلوله با زاويه 15 درجه نسبت به افق براي نانولوله کربني دو سرگيردار، (الف) قبل از برخورد،(ب) لحظه0005/0 نانوثانيه، (ج) لحظه001048/0 نانوثانيه، (د) لحظه0015/0 نانوثانيه، (ه) لحظه002/0 نانوثانيه65
شکل (‏4-17): حداکثر تغيير شکل متناظر با کانتور جابجايي نانولوله کربني دوسرگيردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله براي سه قطر مختلف (لف) D=0.95 nm ، (ب) D=1.257 nm ، (ج) D=1.725 nm67
شکل (‏4-18): منحني انرژي جذب شده نرماله شده نانولوله کربني با قطرهاي مختلف68
شکل (‏4-19): منحني مقدار انرژي جذب شده نرماله شده نانولوله کربني برحسب طولهاي مختلف70
شکل (‏4-20): حداکثر تغيير شکل نانولوله کربني دو سرگيردار به طول(الف) nm5.18 (ب) nm6.248 (ج) nm7.313 (د) nm8.378 (ه) nm9.514 در لحظه صفر شدن سرعت گلوله71
شکل (‏4-21): نمودار انرژي جذب شده نرماله شده براي نانولوله کربني آرمچير و زيگزاگ در ارتفاعهاي نسبي متفاوت گلوله73
شکل (‏4-22): حداکثر تغيير شکل متناظر با کانتور جابجايي نانولوله کربني آرمچير دو سرگيردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله براي ارتفاعهاي نسبي متفاوت گلوله،(الف)0.3=z (ب) 0.4=z (ج) 0.5=z74
شکل (‏4-23): حداکثر تغيير شکل متناظر با کانتور جابجايي نانولوله کربني (الف) آرمچير (ب) زيگزاگ در ارتفاع نسبي 0.5=z75
شکل (‏4-24): حداکثر تغيير شکل نانولوله کربني آرمچير، (الف) دوسرگيردار، (ب) يک سرگيردار76
شکل (‏4-25): نقص از نوع استون- والز در نانولوله کربني آرمچير77
شکل (‏4-26): نقص از نوع تهيجاي در نانولوله کربني زيگزاگ77
شکل (‏4-27): حداکثر تغيير شکل نانولوله کربني معيوب از نوع تک تهيجاي78
شکل (‏4-28): حداکثر تغيير شکل نانولوله کربني دوسرگيردار معيوب (الف) تک تهيجاي(1)، (ب) تک تهيجاي(2)، (ج) دو تهيجاي(1)، (د) دو تهيجاي(2)81
شکل (‏4-29): حداکثر تغيير شکل نانولوله کربني معيوب (الف) استون- والز (1) ، (ب) استون- والز(2)82
شکل (‏4-30): حداکثر تغيير شکل نانولوله کربني يک سر گيردار معيوب از نوع استون- والز،(الف) اصابت گلوله روي عيب، (ب) اصابت گلوله سمت مخالف عيب83

شکل (‏4-31): (الف) ابعاد هندسي گلوله، (ب) مونتاژ گلوله در کنار نانولوله کربني با طول 313/7 نانومتر84
شکل (‏4-32): منحني انرژي جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبي براي دو گلوله مختلف85
شکل (‏4-33): حداکثر تغيير شکل متناظر با کانتور جابجايي نانولوله کربني دو سر گيردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله براي ارتفاعهاي نسبي متفاوت گلوله استوانهاي، (الف) 3/0z=، (ب) 4/0z=، (ج) 5/0z=86
شکل (‏4-34): گلوله مونتاژ شده در کنار نانولوله کربني زيگزاگ به طول 313/7 در حالت عدم در برگيري تمام عرض نانولوله کربني در دو نما87
شکل (‏4-35): حداکثر تغيير شکل نانولوله کربني در لحظه صفر شدن سرعت گلوله88
شکل (‏1-36): ابعاد سلول واحد شش ضلعي قبل از برخورد ……………………………………………………………………………91
فهرست جداول
جدول (‏3-1): پارامترهاي ساختارهاي مختلف نانولوله کربني20
جدول (‏3-2): ثابتهاي معادلات برهمکنش در نانولولههاي کربني39
جدول (‏4-1): شرايط اوليه نانولوله کربني و گلوله49
جدول (‏4-2): انرژي جذب شده توسط نانولوله کربني زيگزاگ دو سرگيردار در موقعيتهاي مختلف گلوله52
جدول (‏4-3): انرژي جذب شده توسط نانولوله کربني زيگزاگ يک سر گيردار در موقعيتهاي مختلف گلوله58
جدول (‏4-4): انرژي جذب شده توسط نانولوله کربني دو سر گيردار در زاويههاي مختلف برخوردگلوله62
جدول (‏4-5): انرژي جذب شده توسط نانولوله کربني زيگزاگ دو سرگيردار با قطرهاي مختلف66
جدول (‏4-6): انرژي جذب شده توسط نانولوله کربني دو سرگيردار با طولهاي مختلف69
جدول (‏4-7): انرژي جذب شده توسط نانولوله کربني آرمچير دو سرگيردار درموقعيتهاي مختلف گلوله72
جدول (‏4-8): انرژي جذب شده بوسيله نانولوله کربني آرمچير و زيگزاگ در ارتفاع نسبي 5/0 براي گلوله75
جدول (‏4-9): انرژي جذب شده نانولوله کربني زيگزاگ دو سرگيردار با انواع عيوب79
جدول (‏4-10): حداکثر انرژي جذب شده بوسيله نانولوله کربني يک سر گيردار با عيب استون- والز83
جدول (‏4-11): انرژي جذب شده توسط نانولوله کربني زيگزاگ دو سرگيردار تحت ضربه توسط گلوله استوانهاي85
جدول (‏4-12): انرژي جذب شده توسط نانولوله کربني زيگزاگ دو سرگيردار با موقعيتي متفاوت براي گلوله88
مقدمه
انسان همواره به دنبال محافظت از خود در برابر آسيب‌هاي احتمالي ناشي از ضربه در ميدان‌هاي جنگ بوده است. از اين رو از هزاران سال پيش زره به تن کرده است. در قرن پنجم پيش از ميلاد در ايران و يونان براي ساخت زره از 14لايه کتان استفاده ميشده است. 700 سال پس از ميلاد نوعي زره بدون آستين شامل صفحههاي فولادي يا آهني که روي نوارهاي چرمي چفت ميشد در چين و کره ساخته شد که سبکي و انعطافپذيري ويژهاي داشت. با پيشرفت سلاح و روي کار آمدن سلاح گرم توجه صنعتگران به توليد زرههايي جلب شد که به کمک صفحههاي فولادي ضخيمتر و صفحههاي سنگين اضافي بتوانند از بدن انسان در مقابل گلوله محافظت کنند. اين کار باعث سنگيني زره شده و استفاده از آن براي شخص تن کننده طاقت‌فرسا مي‌گردد. مهندسين در دهه ???? يک جليقه مقاوم در برابر گلوله و مناسب را ساختند که بر خلاف زره‌هاي سنتي بسيار راحت بود. جليقه‌هاي ضد گلوله سبک از فلز ساخته نشده بود بلکه از بافت‌هاي فيبري که قابل دوخت بر روي جليقه و ديگر لباس‌هاي سبک مي‌باشد، ساخته‌شده‌اند. در سال 1965 شركت داپونت1 اليافي با نام تجاري كولار2 (از خانواده آراميد) توليد و از آن پارچه توليد كرد. در ابتدا كولار در صنعت لاستيک سازي و سپس در توليدات گوناگوني مثل طناب و واشر و قسمت‌هاي مختلف هواپيما و قايق استفاده گرديد. در سال 1971 الياف كولار به عنوان جايگزين الياف نايلون در جليقه‌هاي ضد گلوله معرفي شد. در حال حاضر اين الياف يكي از مهم‌ترين الياف مورد استفاده در توليد اين نوع پوشاک مي‌باشد]1[.
جليقه‌هاي ضد گلوله امروزي، به دو نوع تقسيم مي‌شود:
جليقه‌هاي ضد گلوله سخت
جليقه‌هاي ضد گلوله نرم
جليقه‌هاي ضد گلوله سخت از صفحه‌هاي فلزي و يا سراميکي ضخيم ساخته مي‌شوند و به اندازه کافي براي انحراف گلوله و ساير سلاح‌ها مقاوم‌اند. مواد بکار رفته در اين جليقه‌ها، گلوله‌ها را با همان نيرويي که به داخل در حال وارد شدن است به خارج هل مي‌دهند. به اين ترتيب جليقه غيرقابل نفوذ خواهد بود. جليقه‌هاي ضد گلوله سخت حفاظت بيشتري را نسبت به جليقه‌هاي ضد گلوله نرم ايجاد مي‌کنند ولي طاقت‌فرسا تر هستند. افسرهاي پليس و کارکنان نظامي اين نوع از لوازم حفاظتي را در هنگامي که ميزان خطر احتمالي بالا باشد به تن مي‌کنند؛ ولي براي استفاده‌هاي روزمره عموماً از جليقه‌هاي ضد گلوله نرم که مي‌توان به صورت ژاکت يا تيشرت معمولي به تن کرد، استفاده مي‌کنند.
روش کار اين جليقه‌ها بسيار ساده است. در درون اين جليقه‌ها يک ماده ضد گلوله قرار دارد که در حقيقت يک توري بسيار قوي است. براي درک چگونگي عملکرد آن، تور دروازه فوتبال را در نظر بگيريد که در پشت دروازه بسته شده است. وقتي که توپ به دروازه شوت مي‌شود، داراي انرژي زيادي است و در هنگام اصابت به تور، در يک نقطه مشخص تور را به عقب هل مي‌دهد. هر رشته از يک سمت تيرک به سمت ديگر امتداد دارد و نيروي وارد آمده در آن نقطه مشخص را به سر تا سر تور پخش مي‌کند. اين نيرو به دليل به هم بافته بودن رشته‌ها پخش مي‌شود و به اين طريق، همه قسمت‌هاي تور انرژي وارده از سوي توپ را جذب مي‌کنند و فرقي نمي‌کند که گلوله به کدام قسمت از تور اصابت کرده باشد.
اگر يک تکه از ماده ضد گلوله را زير ميکروسکپ قرار دهيم، همين ساختار را مشاهده خواهد شد. رشتههاي بلندي از الياف که به هم تنيده شده‌اند تا يک ساختار توري شکل متراکم را تشکيل دهند. حال با توجه به اينکه يک گلوله بسيار سريع تر از توپ حرکت مي‌کند، بنابراين اين توري بايد از مواد محکم تري ساخته شود. معروف‌ترين ماده‌اي که در ساخت جليقه‌هاي ضد گلوله به کار ميرود، اليافي به نام کولار است]2[؛ اليافي سبک‌وزن که ? برابر مقاوم تر از يک تکه فولاد، در همان وزن است. زماني که اين ماده به صورت يک تور متراکم در مي‌آيد، مي‌تواند نيروي زيادي را جذب کند. به منظور جلوگيري از رسيدن گلوله به سطح بدن، جليقه ضد گلوله بايد برخلاف ضربه مستقيمي که گلوله وارد مي‌کند، عمل کند .به تازگي استفاده از اليافي تار عنکبوت در توليد جليقهها متداول شده است. استحکام اين رشته حدود 20 مرتبه بالاتر از فولاد است]3[.
در هر حال دو عامل مهم در جليقه‌هاي ضدگلوله، قابليت جذب انرژي و سبکي آن‌ها ميباشد. از اين رو استفاده از موادي که داراي اين خواص هستند براي دفع يا منحرف کردن گلوله مهم ميباشد. جليقههايي که تاکنون ساخته شده است ممکن است از مرگ جلوگيري کند اما همچنان باعث کبودي و آسيبديدگي اندام‌هاي حياتي بدن ميشوند. از همين رو پژوهش براي رسيدن به بهترين ماده جهت استفاده در جليقه ضدگلوله همچنان ادامه دارد. آخرين پژوهشهاي صورت گرفته در اين زمينه نشان ميدهد که رشتههايي از جنس نانولوله کربني3 حتي از ابريشم عنکبوت نيز مقاومتر هستند. نانولولههاي کربني به دليل استحکام بالا، وزن کم و ظرفيت جذب انرژي بالا بهترين مواد جهت ساخت وسايل ضد ضربه به ويژه جليقههاي ضدگلوله هستند.
نانولولههاي کربني به دليل خواص فوقالعاده مکانيکي و الکتريکي از سال 1991 که توسط ايجيما4 کشف شدهاند]4[؛ در کانون توجه محققان در سرتاسر جهان قرارگرفتهاند و کارهاي بسيار وسيعي در حوزههاي مختلف در مورد اين مواد صورت گرفته است. پس از کشف نانولولههاي کربني محققين به انجام آزمايش بر روي اين ساختار روي آوردهاند؛ اما صرف هزينههاي بسيار زياد براي انجام اين آزمايشها محققان را بر آن داشت تا با استفاده از روشهاي مختلف کامپيوتري به شبيهسازي رفتارهاي مختلف اين ماده بپردازند. از مهم‌ترين اين روشها ميتوان به روشهاي آبينيشيو5 و شبيهسازي ديناميک مولکولي6 اشاره کرد. البته لازم به ذکر است که روش ديناميک مولکولي داراي دقت بسيار بالايي است؛ اما استفاده از آن نياز به وقت و هزينههاي زيادي دارد و بکارگيري آن براي همه مقدور نيست. اين امر سبب شد تا محققين همچنان به دنبال روشي جامع و مطمئن باشند تا به وسيله آن بتوان نانولولههاي کربني را تحت بارگذاريها و شرايط مرزي مختلف مورد بررسي قرارداد.
از اين رو در سال 2002 استفاده از خصوصيات ساختاري براي مدل‌سازي نانوساختارها پيشنهاد شد]5[. در طي سال‌هاي گذشته مدلهاي مکانيک ساختاري تکامل يافته است؛ اما در تمامي مدلهايي که تاکنون ارائه شده است کاستيها و معايبي وجود دارد. در اين پروژه با استفاده از مدل مکانيک ساختاري رفتار نانولوله تحت ضربه بالستيک بررسي شده و پارامترهاي مهم در جذب انرژي مورد مطالعه قرار ميگيرد]6[.
بر اين اساس در فصلهاي بعد ابتدا مروري بر کارهاي انجام‌شده در زمينه شبيهسازي نانولولهها و پديده ضربه روي اين مواد صورت گرفته، سپس مقدمهاي از نانولوله کربني و شيوههاي مدل‌سازي آن‌ها گفته شده و در ادامه به معرفي مدل استفاده شده در اين پاياننامه و چگونگي ايجاد آن در نرم‌افزار آباکوس 7 پرداخته شده است. در انتها نيز رفتار نانولوله کربني تحت ضربه بررسي و نتايج حاصل از آن با نتايج حاصل از مدلهاي معتبر ديگر مقايسه شده است.
مروري بر مطالعات پيشين
مقدمه
با توجه به پيشرفت تکنولوژي و صنعت، بشر همواره به دنبال موادي بوده که نسبت به مواد موجود داراي ويژگيها و کيفيت برتري باشند. يکي از اين مواد نانولولههاي کربني ميباشد که در سال‌هاي گذشته استفاده از آن به دليل ويژگيهاي منحصربه‌فردي نظير استحکام بالا، وزن سبک و قابليت جذب انرژي بالا، افزايش يافته است]7[. ويژگي‌هاي يادشده از مهم‌ترين عوامل در ساخت تجهيزات ضدضربه از جمله جليقههاي ضد گلوله هستند. از اين رو محققان به انجام آزمايش بر روي اين ساختار روي آوردهاند. اما مشکلات موجود در کارهاي تجربي مانند صرف هزينههاي مالي بسيار زياد، محققان را بر آن داشته تا با استفاده از روشهاي مختلف کامپيوتري به مدل‌سازي و شبيهسازي رفتارهاي مختلف اين ماده بپردازند. روشهاي مختلف کامپيوتري براي شبيهسازي نانولولهها پيشنهاد شده است که مهم‌ترين آن‌ها روش ديناميک مولکولي و مکانيک ساختاري مي‌باشد. روش ديناميک مولکولي روش بسيار دقيقي است اما به دليل حجم محاسبات بسيار بالا، اين روش معمولاً به سيستمهاي کوچک محدود ميشود. روشي که در سال‌هاي اخير مورد استفاده قرار گرفته، روش مکانيک ساختاري ميباشد. در اين سال‌ها روشهاي مختلفي براي شبيهسازي مکانيک ساختاري نانولوله کربني ارائه شده که هر کدام داراي عيب و کاستي بودهاند. مهم‌ترين عيب همه مدلهاي گذشته محدوديت آن‌ها در پوشش تمام مسائل مکانيکي است. در اين پاياننامه از يک مدل ساختاري براي شبيهسازي رفتار نانولولههاي کربني تحت ضربه استفاده شده است]6[. انواع روشهاي مدلسازي در فصل 3 بررسي شده است.
در ادامه ابتدا به معرفي کارهاي صورت گرفته بر روي نانولولهها با استفاده از اين مدل ميپردازيم؛ سپس کارهاي انجام شده در زمينه ضربه روي نانولوله کربني به روشهاي ديگر معرفي ميگردد. و در فصل‌هاي آينده به موضوع اصلي اين پاياننامه، يعني بررسي قابليت جذب انرژي نانولوله کربني تحت ضربه به شيوه مکانيک ساختاري و با استفاده از مدل معرفي شده، پرداخته ميشود.
مطالعات پيشين
پروانه و همکاران(2009)
در سال 2009 پروانه و همکاران در مقالهاي ضمن معرفي مدل ساختاري جديد براي شبيهسازي نانولوله کربني، به بررسي رفتار کمانشي اين ساختار تحت بار محوري فشاري پرداختند]8[. ضرورت ايجاد شرايط آزمايشگاهي مطلوب و گراني تستها در کارهاي تجربي از يک سو و صرف وقت زياد در روش ديناميک مولکولي از سوي ديگر آن‌ها را بر اين داشت تا با ارائه يک مدل ساختاري جديد به بررسي نانولولههاي کربني بپردازند. آن‌ها در اين مقاله تأثير انواع مختلف عيوب در موقعيتهاي مختلف را بر بارها و کرنشهاي کمانش انواع نانولولههاي کربني با طول و قطر مختلف بررسي نمودند. آن‌ها براي مدل‌سازي نانولوله کربني از يک رابط و فنر غيرخطي براي شبيهسازي پيوند ميان اتمهاي کربن استفاده نمودند. در واقع اين مدل ترکيبي از مدلهاي مکانيک ساختاري گذشته ميباشد.
با توجه به اينکه از اين مدل در پاياننامه حاضر استفاده شده است؛ در فصل بعد به تفصيل در مورد اين مدل توضيح داده خواهد شد. مقايسه کار آن‌ها با مدلهاي ديناميک مولکولي نشاندهنده سازگاري خوبي بين مدل جديد ارائه شده با مدلهاي ديناميک مولکولي ميباشد.
نتيجه کار آن‌ها نشان داد:
عيوب تهيجاي باعث به تأخير افتادن مد کمانش اويلر ميگردند.
يک عيب دو تهيجاي، بيشتر از دو عيب تک تهيجاي باعث کاهش در بار بحراني کمانش خواهد شد.
موقعيت عيوب تهيجاي در طول نانولوله، تأثير بسياري در بار بحراني کمانش دارد؛ به طوري که محل بحراني براي وجود عيب، در مرکز نانولوله ميباشد.
پروانه و شريعتي(2010)
پروانه و شريعتي در ادامه کار خود در سال 2009 به بررسي خواص مکانيکي نانولوله کربني پرداختند. آن‌ها با توجه به پراکندگي نتايج تجربي در زمينه پيشبيني مدول يانگ نانولوله کربني، در سال 2010 در مقالهاي به بررسي تأثير انواع بارگذاري و عيوب بر مدول يانگ نانولوله کربني تک جداره با استفاده از مدل ساختاري پرداختند]9[. در تمامي روشهاي آزمايشگاهي بايد از نانولوله کربني به قدر کافي بزرگ استفاده شود. همچنين روشهاي مختلفي براي به دست آوردن مدول يانگ نانولوله کربني وجود دارد. آن‌ها در اين بررسي مدول يانگ انواع مختلف نانولوله کربني با طولها و اقطار مختلف را با روشهاي گوناگون به دست آوردند(شکل(2-1)) و دريافتند که:
بهترين روش براي پيشبيني مدول يانگ نانولوله کربني استفاده از تست پيچش ميباشد.
عيوب مختلف تأثير چنداني بر مدول يانگ نانولوله کربني بزرگ ندارد. البته اين تأثير اندک در نانولوله کوچک بيشتر نمايان ميباشد.
نانولولههاي آرمچير8 در مقابل عيوب نسبت به نوع زيگزاگ9 آن حساسترند.
شکل (‏2-1): مدول يانگ نانولوله کربني تکجداره به عنوان تابعي از نسبت ظاهري نانولوله]9[
خليلي و حقبين(2012)
در سال 2012 خليلي و حقبين با ارائه مقالهاي به بررسي پارامترهاي طراحي نانوکامپوزيت تقويت‌شده با نانولوله کربني تحت بار ضربهاي پرداختند]10[. در اين مقاله تأثير قطر و نوع نانولوله کربني بر رفتار ضربهاي نانوکامپوزيت تقويت‌شده با اين نانولولهها بررسي شده است. نانولوله کربني بوسيله المانهاي تير در فضاي قابمانند با روش المان محدود(FEM) شبيهسازي شده است(شکل(2-2)). براي شبيهسازي از نرمافزار آباکوس استفاده شده است.
شکل (‏2-2): نانوکامپوزيت شبيهسازي شده در آباکوس، شامل نانولوله و ماتريس]10[
آنها نتايج حاصل از اين شبيهسازي را اين‌گونه بيان نمودند:
نانولولههاي کربني با قطر کوچک‌تر، استحکام بهتري در برابر بار ضربهاي به نانوکامپوزيت ميدهند.
رفتار ضربهاي نانوکامپوزيت به نوع نانولولهکربني وابسته نيست.
بهترين راه براي بهبود خواص نانوکامپوزيت تحت بار ضربهاي استفاده از نانولوله آرمچير کوچکتر در حجم ماتريس بزرگ‌تر ميباشد. بنابراين بهتر است در طراحي نانوکامپوزيت تحت بار ضربهاي به جاي نوع روي اندازه نانولولهکربني متمرکز شد.
ژانگ و ميلواگنام(2006)
ژانگ و ميلواگنام در سال 2006 طي مقالهاي قابليت جذب انرژي نانولولههاي کربني را به شيوه ديناميک مولکولي و با استفاده از پتانسيل سه بعدي ترسوف – برنر10، مورد بررسي قراردادند]11[. آن‌ها در مقاله خود يک قطعه الماس با ابعاد 3.56×3.56×0.7?nm?^3 را به عنوان گلوله در نظر گرفتند به طوري که عرض اين گلوله از عرض بزرگ‌ترين نانولوله بعد از برخورد و تغيير شکل بيشتر ميباشد. آن‌ها ارتباط ميان شعاع نانولوله، مکان نسبي برخورد گلوله و سرعت گلوله با ميزان جذب انرژي توسط نانولوله کربني تک جداره را بررسي نمودند. در کار آن‌ها گلوله با سرعت ثابت در بازه 100 تا 1500 متر بر ثانيه و از يک فاصله مشخص نسبت به محور مرکزي نانولوله و عمود بر اين محور به آن برخورد ميکند. نانولوله مورد استفاده در کار آن‌ها شامل سه نمونه نانولوله کربني زيگزاگ با قطرهاي 75/0 ، 41/1و 114/2 نانومتر و طولهاي مختلف ميباشد.
شرايط مرزي براي نانولوله به دو صورت يک سر گيردار و دو سر گيردار در نظر گرفته شد(شکل(2-3)). از اتلاف گرما در طي فرايند ضربه نيز صرف‌نظر شده است.
(ب)
(الف)شکل (‏2-3): مدل اوليه نانولوله کربني (الف): دو سر گيردار و (ب): يک سر گيردار]11[.
آن‌ها مشاهده نمودند که وقتي گلوله به وسط نانولوله کربني دو سر گيردار برخورد ميکند؛ ميزان جذب انرژي ماکزيمم ميشود. درحالي‌که ميزان جذب انرژي نانولوله يک سر گيردار هنگامي بيشينه است که گلوله در ارتفاع نسبي 0.6 نسبت به سر ثابت‌ به نانولوله کربني برخورد ميکند(شکل(2-4)). قطر نانولوله نيز در محل بيشينه شدن حداکثر انرژي جذب‌شده تأثيري ندارد.
شکل (‏2-4): ارتباط ميان جذب انرژي و ارتفاع نسبي محل برخورد گلوله در نانولوله کربني يک سر گيردار به قطر 0.75 نانومتر]11[
ژانگ و ميلواگنام(2007)
ژانگ و ميلواگنام در ادامه کار خود در سال 2006 به بررسي ظرفيت مقاومت نانولوله کربني در برابر ضربه پرداختند]12[. آن‌ها در اين کار به منظور نشان دادن تقريبي شرايط نانولولهها درکامپوزيتها فقط از نانولوله کربني دو سر گيردار استفاده نمودند. علت اين امر اين است که آن‌ها بر اين عقيده بودند که در مصارف صنعتي از نانولولهها، اين مواد به شکل دو سر ثابت در کامپوزيتها استفاده ميشوند. همچنين بازه سرعت را به 1000 تا 3500 متر بر ثانيه افزايش دادند. پارامترهايي نظير مکان برخورد و سرعت گلوله را بررسي نمودند. و مشاهده نمودند که جذب انرژي در وسط نانولوله کربني ماکزيمم شده و اين امر مستقل از قطر نانولوله کربني ميباشد(شکل(2-5)). با افزايش قطر نانولوله قابليت جذب انرژي بيشتر شده يعني نانولولههاي با قطر بزرگ‌تر در برابر سرعتهاي بزرگ‌تري از گلوله مقاومت ميکنند. همچنين آن‌ها دريافتند که وقتي گلوله در ارتفاع نسبي مختلف به نانولوله برخورد ميکند، فرآيند برگشت گلوله در يک زمان تقريباً مشابه شروع ميشود؛ اما افزايش و کاهش سرعت در موقعيتهاي مختلف متفاوت است که اين امر ناشي از وابستگي تغيير شکل نانولوله به ارتفاع نسبي محل برخورد گلوله ميباشد. در نهايت نيز گلوله به يک سرعت ثابت رسيده که اين سرعت از سرعت اوليه گلوله کمتر است(شکل(2-6)).
شکل (‏2-5): انرژي جذب‌شده نرماله شده توسط نانولوله کربني با سه قطر مختلف بر حسب ارتفاع نسبي محل برخورد گلوله]12 [
شکل (‏2-6): نمودار ويژگيهاي مختلف گلوله بر حسب زمان 1: سرعت گلوله 2: جابجايي گلوله و نانولوله 3: جابجايي گلوله براي نانولوله کربني به قطر 41/1 نانومتر]12[
نانولوله کربني
مقدمه
کربن يکي از معروف‌ترين و کارآمدترين عناصر در ساخت ترکيبات مختلف است.کلمه کربن از کلمه لاتين به معناي ” کربو11 ” گرفته شده است که روميها آن را زغال چوب مينامند[13]. البته در دنياي مدرن، آن فراتر از يک زغال چوب ميباشد. از کربن، فيبرهاي با استحکام بالا، يکي از بهترين روانکنندهها(گرافيت)، سختترين کريستالها و مواد(الماس)، محصولات غيربلورين(کربن شبه شيشهاي) و … به دست ميآيند. توانايي يک عنصر در ترکيب با اتمهايش مختص کربن نميباشد. اما اين عنصر در تعداد و تنوع آلوتروپها منحصربهفرد ميباشد. اين عنصر بيشترين تعداد آلوتروپ را در ميان عناصر ديگر دارا ميباشد. خصوصيات آلوتروپهاي مختلف کربن ميتوانند بطور گسترده تغيير کنند. به عنوان مثال، الماس يکي از سختترين مواد شناخته‌شده و گرافيت يکي از نرمترين آنها ميباشد. الماس يک عايق الکتريکي در حاليکه گرافيت يک هادي الکتريکي ميباشد. در اين ميان نانولولههاي کربن و فلورينها، توجه دانشمندان را بيشتر از ديگر شکلهاي کربن به خود جلب کرده‌اند. اگرچه مدت زمان زيادي از کشف نانولولههاي کربن و فلورين نميگذرد؛ اما تحقيقات وسيعي در زمينه شناسايي، ساخت و بکارگيري آن‌ها در صنايع مختلف انجام‌شده و پيشرفتهاي زيادي نيز در اين رابطه صورت گرفته است.
کشف نانولوله کربني
تاريخ لولههاي نانومتري کربن گرافيتي به گذشتهاي دور در سال 1952 برميگردد. در آن سال رادشکويچ12 و لوکيانويچ13 تصاوير واضحي از لولههاي 50 نانومتري کربن را در مجله روسي “شيمي فيزيک”14 به چاپ رساندند. با اين وجود اغلب مقالات معروف و علمي، کشف ساختار اتمي C60 (شکل(3-1)) را سرآغاز اين تحول جديد در علم نانو ميدانند. در سال 1990 مقاله‌اي توسط دونالد هافمن15 از دانشگاه آريزونا و ولف گانگ16 کراشمر مبني بر کشف ساختار جديدي از کربن که داراي 60 اتم کربن است، در نشريه نيچر17 به چاپ رسيد. ساختاري که تا قبل از آن تنها به صورت تئوري پيشبيني شده بود.
شکل (‏3-1): نمايي از ساختار اتمي C60
اين امر سبب باز شدن دريچهاي جديد به علم نانو گرديد به طوريکه در سال 1991 ساختار شگفتانگيز ديگري از اتمهاي کربن به نام نانولوله کربني توسط ايجيما[4] کشف شد و توجه بسياري از محققان و دانشمندان را به خود معطوف نمود. خواص منحصربه‌فرد مکانيکي و الکتريکي اين ساختار براي محققين بسيار جالب و قابل توجه بود.
ساختار نانولوله کربني
مکانيزم پيوندها در نانولولههاي کربني بسيار شبيه گرافن18 ميباشد. عدد اتمي کربن 6 است و از نقطه‌نظر فيزيک اتمي، ساختار الکترونيکي اين اتم ميباشد. نانولولهها تماماً از پيوند sp2 تشکيل شدهاند مانند گرافيت. اين ساختار پيوند از پيوند sp3که در الماس وجود دارد قويتر است و استحکام منحصربه‌فردي به اين مولکولها ميدهد. کوچک‌ترين ساختار واحد تشکيلدهنده يک نانولوله کربني حلقهاي متشکل از شش اتم کربن است. معمولاً براي مدل‌سازي و درک بهتر از ساختار نانولولههاي کربني، فرض ميکنند که اين نانولولهها از پيچيده شدن يک گرافن تشکيل يافتهاند(شکل(3-2)). در واقع نانولولهها در زمان تشکيل به صورت لولهاي بوجود ميآيند و توسط يک سرپوش نيمکره شبه فلوروئن بسته‌شده‌اند.
شکل (‏3-2): مکانيزم ساخت نانولوله کربني[14]
اگر نانولوله از يک لايه گرافن لوله شده تشکيل يافته باشد، به آن نانولوله تکديواره و اگر از چند لايه گرافن لوله شده هممرکز تشکيل يافته باشد، به آن نانولوله چندديواره اطلاق ميگردد. طول و قطر اين ساختارها در مقايسه با نانولولههاي تکديواره بسيار متفاوت بوده که در نتيجه، خواص آن‌ها نيز بسيار متفاوت ميباشد. همچنين در اين نانولولهها فاصله بين لايهها در حدود 0.34 نانومتر معادل فاصله بين لايهاي گرافيت ميباشد. در يک صفحه گرافن، اتمهاي کربن به صورت ساختارهاي ششگوش در کنار يکديگر قرارگرفته‌اند، به طوريکه هر اتم با سه اتم ديگر مجاور است.
حالتهاي مختلف زيادي براي لوله کردن يک گرافن وجود دارد. جهت چرخش اين لايه گرافن، نوع ساختار نانولولههاي کربني را به وجود ميآورد. همان‌گونه که در شکل(3-3) مشاهده ميشود، سه نوع ساختار متفاوت از پيچيده شدن لايه گرافن ايجاد ميگردد.
جهت چرخش توسط يک بردار که به نام بردار چرخش يا بردار چيرال19 معروف است، بيان ميشود. اين بردار ميتواند به صورت يک ترکيب خطي از بردارهاي انتقال واحد در شبکه شش وجهي تعريف شود[15]:
(‏3-1)
که m وn اعداد صحيح هستند و a1 و a2 بردارهاي شبکه شش وجهي گرافيت مي‌باشند. زاويه بين a1 و a2 زاويه چيرال ناميده ميشود که از رابطه زير به دست ميآيد:
(‏3-2)
نانولولهها با بردارهاي چيرال متفاوت، داراي خواص متفاوتي ميباشند نظير هدايت الکتريکي و استقامت مکانيکي متفاوت. جدول (3-1) پارامترهاي مربوط به ساختارهاي مختلف نانولولههاي کربني نظير قطر و زاويه چيرال نانولولهها را نشان مي‌دهد.
شکل (‏3-3): سه نوع ساختار مختلف نانولوله کربني[16]
جدول (‏3-1): پارامترهاي ساختارهاي مختلف نانولوله کربني[15]


پاسخ دهید