ترجمه مقاله آنالیز ویژگی‌های مکانیکی نانوتیوب‌ کربنی تقویت شده با کامپوزیت پلیمر

توضیحات

 عنوان فارسی: آنالیز ویژگی‌های مکانیکی نانوتیوب‌ کربنی تقویت شده با کامپوزیت پلیمر با استفاده از روش مکانیک پیوسته

عنوان انگلیسی مقاله:

Analysis of mechanical properties of carbon nanotube reinforced polymer composites using continuum mechanics approach

چکیده

نانوتیوب‌های کربنی (CNT) به علت خواص عالی مکانیکی، حرارتی والکتریکی نسبت به بهترین فیبرکربن‌ها، توجه (محققین) کامپوزیت را برای بررسی امکان استفاده از آنها به عنوان تقویت اضافه در فیبر کربن‌های تقویت شده با پلیمر کامپوزیت، جلب کرده است. در این مقاله، اثر تقویت نانوتیوب‌های کربنی بر مدول الاستیک یک پلیمر کامپوزیت دو فازی موجود، با استفاده از آنالیز المان محدود و قانون تئوری اختلاط، مورد مطالعه قرار گرفت. نانو تیوب‌های کربنی به عنوان اشکال الاستیک استوانه‌ای شکل میان تهی و پیوسته مدل‌سازی شده و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌های تقویت شده با نانوتیوب‌ها با استفاده از یک المان حجم سه بعدی نماینده، مورد تحقیق قرار گرفت. ماده ماتریس (میزبان) اپوکسی و پیک بوده در حالی که فیبرهای کربن و فیبرهای شیشه‌ای بعنوان تقویت کننده اول استفاده شده‌اند. خواص مکانیکی برای بخش‌های حجمی مختلف CNT و برای مجموعه‌های مختلف ماتریس و فیبر مورد برآورد قرار گرفت.

واژه‌های کلیدی: پلیمر کامپوزیتی، CNT، آنالیز المان محدود، المان حجم نماینده.

1- معرفی

CNTها همانند خواص الکتریکی و حرارتی برتر خود، خواص فوق‌العاده سفتی، استحکام و ارتجاعیت بالایی دارند، که آنها را ماده تقویت کننده نهایی برای نانوکامپوزیت‌ها می‌کند. (لی و چو 2003، تیو وهمکارانش 2002، سان و ژائو 2005). پس از کشف ایجیما (1991)، نانوتیوب‌های کربنی در کاربردهای مختلفی مانند پزشکی، هوافضا و صنایع نظامی به کارگرفته شدند. همچنین میزان ظرفیت بارگذاری قابل تحمل برای CNTها در نانوکامپوزیت‌ها به کمک آزمایشات اعلام شد. (اشکادلر و همکارانش 1998). تقویت کننده‌های فیبرکربن استحکام بالا، وزن کم و کارکرد بالایی دارند و بهترین تقویت کننده‌ها برای بارگذاری‌های یاتاقانی در کامپوزیت‌ها هستند. (آلائویا 2002). اپوکسی‌های کامپوزیت کربن دو فازی به طور گسترده‌ای در کاربردهای هوافضا در دو دهه گذشته مورد استفاده قرار گرفته‌اند. (کوراهاتی و همکارانش 2010) به طور مشابه برای فیبر کربن در ماتریس پیک، درسیستم‌های فضایی کاربردهایی یافت شد. باوجوداین، نانوتیوب‌های کربنی، به علت خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی عالی، علاقه زیادی در محققین کامپوزیت، برای استفاده از آنها بعنوان تقویت اضافه، ایجاد کرده‌اند. کامپوزیت حاصل، کامپوزیت سه فازی با استحکام و سفتی بالاتری خواهد بود. نانوتیوب‌ها نقش افزودنی‌های ماتریس  را ایفا کرده، خواص چندمنظوره‌ای در کامپوزیت محیا می‌کنند.( Mukhopadhyayو همکارانش 2008). یافته شد که کامپوزیت‌های پلیمر پایه مناسب‌ترین گروه برای تقویت اضافی بوسیله CNT ها هستند. (بال و سمال 2007، کولمن و همکارانش 2006). باوجود این، دستیابی به کسر حجمی بزرگ (بالاتر از 5%) به خاطر افزایش سریع ویسکوزیته و مشکلات فرآیندی حاشیه‌ای، مشکل است.

حداقل سه روش تجربی کلی برای تولید نانوکامپوزیت‌ها وجود دارد. اختلاط در حالت مایع، فرآیندهای انحلال واسطه‌دار وتکنیک‌های سیتو پلیمریزاسیون (خار و باس 2005). روش مخلوط کردن مستقیم ذوب از لحاظ تجاری نسبت به دو روش بعدی جذاب‌تر است، زیرا هر دو روش فرآیند انحلال و سیتوپلیمریزاسیون انعطاف کمتری دارند و محیط ستیز‌تر هستند. یافته شده است که اپوکسی‌های ترموست (سفت شونده با حرارت) دارای کاربرد گسترده‌ای از چسب‌های خانگی تا کامپوزیت‌های با عملکرد بالا هستند. زمانی که از ماتریس‌های ترموست استفاده می‌شود، با دریافت نانوتیوب‌ها اغلب به طور مستقیم با مایع پیش‌سازه‌ای ماتریس مخلوط می‌شوند. مخلوط کردن مکانیکی می‌تواند بوسیله فرآیندهای اولتراسونیکی یاری شود و فرآیندهای کمکی خلا معمولا برای اطمینان از عاری از عیوب شدن نمونه‌های کامپوزیت مورد استفاده برای تست‌های مکانیکی به کار می‌رود. نانوتیوب‌های فرآوری شیمیایی شده معمولا ابتدا در محلولی که به آن اپوکسی افزوده می‌شود، پراکنده می‌شوند. به طور تجربی به این موضوع پی‌برده شده است که استحکام شکست و ویژگی‌های مکانیکی کامپوزیت‌های کربن اپوکسی می‌تواند به طور قابل توجهی با افزودن نانوتیوب‌های کربن بهبود یابد. (سریکانت و همکارانش 2012).

کار پیش رو، روی برآورد ویژگی‌های مکانیکی پلیمرهای کامپوزیتی سه فاز برای کسرحجمی‌های مختلف CNT متمرکز شده است. ماده ماتریس به عنوان اپوکسی و پیک درنظر گرفته شده است در حالی‌که فیبر کربن و فیبر شیشه به عنوان تقویت اولیه انتخاب شده است. اصل سلول واحد یا المان حجم نماینده (RVE) برای مطالعه کامپوزیت‌های CNT پایه در ابعاد نانو مورد استفاده قرار گرفته است. (چونیو و چو 2003). در این سلول واحد یا روش RVE، نانوتیوب‌ها با ماتریس دربرگیرنده و ماده فیبر می‌توانند  به همراه شرایط مرزی (به درستی) اعمال شده، برای محاسبه اثر مواد در برگیرنده، مدل شوند. ارزیابی ویژگی الاستیسیته موثر، برای CNT های بلند بدون عیب با RVE شش گوشه تحت کشش محوری انجام شده است. (لیو و چن 2003، جاشی و همکارانش 2010). معادلات آنالیزی بر پایه قانون اختلاط، برای استخراج ویژگی‌های موثر مواد، درمورد RVEهای شش گوشه با CNTهای تحت شرایط باگذاری محوری، به کار رفته است. همچنین روش مکانیک پیوسته به طور موفقیت‌آمیزی برای  شبیه‌سازی پاسخ مکانیکی نانوتیوب‌های منفرد به کار رفته است. (لی و چو 2003، جاشی و همکارانش 2010، وان و دلال2010). این مطرح شده است که مدل‌های الاستیسیته سه بعدی، به جای مدل‌های تیر یا پوسته، می‌توانند برای مدل‌سازی CNT های جای‌گرفته در ماتریس، به منظور اطمینان از دقت و سازگاری بین مدل‌های CNT، ماتریس و فیبر، به کار گرفته شوند. در کار اخیر، تاثیر افزودنی‌های CNT با استفاده از اصل RVE برای ترکیب‌های مختلف ماتریس و فیبر آنالیز شده است.

توجه:

• برای دانلود فایل کامل ورد لطفا اقدام به خرید نمایید.
• پس از خرید بلافاصله لینک دانلود فایل برای شما ایمیل خواهد شد.