3-6-4-3 مدل هو34
3-6-4-4 مدل معو و روسی35
3-6-4-5 مدل ساختاری جدید36
فصل4: رفتار مکانیکی نانولوله کربنی تحت ضربه43
4-1 مقدمه44
4-2 شبیهسازی ضربه روی نانولوله کربنی45
4-2-1 بررسی صحت مدل وشبیهسازی50
4-2-2 زاویه گلوله60
4-2-3 قطر نانولوله کربنی66
4-2-4 طول نانولوله کربنی69
4-2-5 نوع نانولوله کربنی72
4-2-6 تأثیر عیوب بر روی رفتار مکانیکی نانولوله کربنی تحت ضربه76
4-2-7 هندسه گلوله84
4-2-8 بررسی تأثیر خطای مدلسازی در تحقیق حاضر89
فصل5: نتیجهگیری و پیشنهادات91
5-1 نتیجهگیری92
5-2 پیشنهادات93
مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………94
فهرست اشکال
شکل (‏2-1): مدول یانگ نانولوله کربنی تکجداره به عنوان تابعی از نسبت ظاهری نانولوله10
شکل (‏2-2): نانوکامپوزیت شبیهسازی شده در آباکوس، شامل نانولوله و ماتریس11
شکل (‏2-3): مدل اولیه نانولوله کربنی (الف): دو سر گیردار و (ب): یک سر گیردار12
شکل (‏2-4): ارتباط میان جذب انرژی و ارتفاع نسبی محل برخورد گلوله در نانولوله کربنی یک سر گیردار به قطر 75/0 نانومتر13
شکل (‏2-5): انرژی جذب‌ شده نرماله شده توسط نانولوله کربنی با سه قطر مختلف بر حسب ارتفاع نسبی محل برخورد گلوله14
شکل (‏2-6): نمودار ویژگیهای مختلف گلوله بر حسب زمان 1: سرعت گلوله 2: جابجایی گلوله و نانولوله 3: جابجایی گلوله برای نانولوله کربنی به قطر 41/1 نانومتر14
شکل (‏3-1): نمایی از ساختار اتمی C6017
شکل (‏3-2): مکانیزم ساخت نانولوله کربنی18
شکل (‏3-3): سه نوع ساختار مختلف نانولوله کربنی19
شکل (‏3-4): برهمکنش کشش پیوند در اتمهای کربن21
شکل (‏3-5): برهمکنش خمش زاویهای در اتمهای کربن22
شکل (‏3-6): برهمکنش پیچش دو سطحی در اتمهای کربن23
شکل (‏3-7): برهمکنش پیچش خارج صفحهای در اتمهای کربن24
شکل (‏3-8): برهمکنش واندروالس در اتمهای کربن24
شکل (‏3-9): پیوند کربن-کربن: (الف) مدل فیزیکی، (ب) مدل FE کشش پیوند،(ج) مدل FE خمش پیوند35
شکل (‏3-10): پارامترهای مربوط به یک سلول واحد شش ضلعی38
شکل (‏3-11): نحوه قرارگرفتن دستگاه مختصات محلی بر روی مرکز اتم‌های کربن40
شکل (‏3-12): المانهای فنر و رابط متناظر با برهمکنش اتمهای کربن41
شکل (‏3-13): تصویر یک نانولوله کربنی زیگزاگ در فضای CAE نرم‌افزار آباکوس41
شکل (‏4-1): قطعه صلب طراحی شده به عنوان گلوله46
شکل (‏4-2): مونتاژ گلوله در کنار نانولوله کربنی با طول 18/5 نانومتر در دو نما46
شکل (‏4-3): المان بندی اتم کربن48
شکل (‏4-4): پارامترهای مختلف موقعیت گلوله قبل از برخورد51
شکل (‏4-5): موقعیتهای مختلف گلوله در ارتفاعهای نسبی متفاوت قبل از برخورد51
شکل (‏4-6): نمودار انرژی بر حسب زمان در حالت برخورد گلوله به نانولوله کربنی در ارتفاع نسبی 5/0=z53
شکل (‏4-7): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبی (الف) تحقیق حاضر (ب) ژانگ و میلواگنام54
شکل (‏4-8): نمودار سرعت- زمان گلوله در موقعیتهای مختلف55
شکل (‏4-9): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی دو سرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله (الف)0.3=z (ب) 0.4=z (ج) 0.5=z56
شکل (‏4-10): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبی (الف) تحقیق حاضر (ب) ژانگ و میلواگنام58
شکل (‏4-11): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی یک سرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله (الف)0.3=z، (ب) 0.4=z، (ج) 0.5=z، (د) 0.6=z59
شکل (‏4-12) : حداکثر جابجایی نانولوله کربنی، (الف) یک سرگیردار، (ب) دو سرگیردار، در ارتفاع نسبی 5/0 برای گلوله60
شکل (‏4-13): مسیر برخوردگلوله زاویهدار و افقی به نانولوله کربنی61
شکل (‏4-14): منحنی تغییرات انرژی جذب شده نرماله شده توسط نانولوله کربنی بر حسب زاویه گلوله62
شکل (‏4-15): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی دو سرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای زوایای متفاوت گلوله (الف)0=?، (ب) 15=?، (ج) 30=?، (د) 45=?، (ه) 60=?64
شکل (‏4-16): سیر حرکتی گلوله با زاویه 15 درجه نسبت به افق برای نانولوله کربنی دو سرگیردار، (الف) قبل از برخورد،(ب) لحظه0005/0 نانوثانیه، (ج) لحظه001048/0 نانوثانیه، (د) لحظه0015/0 نانوثانیه، (ه) لحظه002/0 نانوثانیه65
شکل (‏4-17): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی دوسرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای سه قطر مختلف (لف) D=0.95 nm ، (ب) D=1.257 nm ، (ج) D=1.725 nm67
شکل (‏4-18): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده نانولوله کربنی با قطرهای مختلف68
شکل (‏4-19): منحنی مقدار انرژی جذب شده نرماله شده نانولوله کربنی برحسب طولهای مختلف70
شکل (‏4-20): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی دو سرگیردار 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 انرژی جذب شده نرماله شده برای نانولوله کربنی آرمچیر و زیگزاگ در ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله73
شکل (‏4-22): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی آرمچیر دو سرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله،(الف)0.3=z (ب) 0.4=z (ج) 0.5=z74
شکل (‏4-23): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی (الف) آرمچیر (ب) زیگزاگ در ارتفاع نسبی 0.5=z75
شکل (‏4-24): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی آرمچیر، (الف) دوسرگیردار، (ب) یک سرگیردار76
شکل (‏4-25): نقص از نوع استون- والز در نانولوله کربنی آرمچیر77
شکل (‏4-26): نقص از نوع تهیجای در نانولوله کربنی زیگزاگ77
شکل (‏4-27): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی معیوب از نوع تک تهیجای78
شکل (‏4-28): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی دوسرگیردار معیوب (الف) تک تهیجای(1)، (ب) تک تهیجای(2)، (ج) دو تهیجای(1)، (د) دو تهیجای(2)81
شکل (‏4-29): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی معیوب (الف) استون- والز (1) ، (ب) استون- والز(2)82
شکل (‏4-30): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی یک سر گیردار معیوب از نوع استون- والز،(الف) اصابت گلوله روی عیب، (ب) اصابت گلوله سمت مخالف عیب83
شکل (‏4-31): (الف) ابعاد هندسی گلوله، (ب) مونتاژ گلوله در کنار نانولوله کربنی با طول 313/7 نانومتر84
شکل (‏4-32): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبی برای دو گلوله مختلف85
شکل (‏4-33): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی دو سر گیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله استوانهای، (الف) 3/0z=، (ب) 4/0z=، (ج) 5/0z=86
شکل (‏4-34): گلوله مونتاژ شده در کنار نانولوله کربنی زیگزاگ به طول 313/7 در حالت عدم در برگیری تمام عرض نانولوله کربنی در دو نما87
شکل (‏4-35): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی در لحظه صفر شدن سرعت گلوله88
شکل (‏1-36): ابعاد سلول واحد شش ضلعی قبل از برخورد ……………………………………………………………………………91
فهرست جداول
جدول (‏3-1): پارامترهای ساختارهای مختلف نانولوله کربنی20
جدول (‏3-2): ثابتهای معادلات برهمکنش در نانولولههای کربنی39
جدول (‏4-1): شرایط اولیه نانولوله کربنی و گلوله49
جدول (‏4-2): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار در موقعیتهای مختلف گلوله52
جدول (‏4-3): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ یک سر گیردار در موقعیتهای مختلف گلوله58
جدول (‏4-4): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی دو سر گیردار در زاویههای مختلف برخوردگلوله62
جدول (‏4-5): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با قطرهای مختلف66
جدول (‏4-6): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی دو سرگیردار با طولهای مختلف69
جدول (‏4-7): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی آرمچیر دو سرگیردار درموقعیتهای مختلف گلوله72
جدول (‏4-8): انرژی جذب شده بوسیله نانولوله کربنی آرمچیر و زیگزاگ در ارتفاع نسبی 5/0 برای گلوله75
جدول (‏4-9): انرژی جذب شده نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با انواع عیوب79
جدول (‏4-10): حداکثر انرژی جذب شده بوسیله نانولوله کربنی یک سر گیردار با عیب استون- والز83
جدول (‏4-11): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار تحت ضربه توسط گلوله استوانهای85

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

جدول (‏4-12): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با موقعیتی متفاوت برای گلوله88
مقدمه
انسان همواره به دنبال محافظت از خود در برابر آسیب‌های احتمالی ناشی از ضربه در میدان‌های جنگ بوده است. از این رو از هزاران سال پیش زره به تن کرده است. در قرن پنجم پیش از میلاد در ایران و یونان برای ساخت زره از 14لایه کتان استفاده میشده است. 700 سال پس از میلاد نوعی زره بدون آستین شامل صفحههای فولادی یا آهنی که روی نوارهای چرمی چفت میشد در چین و کره ساخته شد که سبکی و انعطافپذیری ویژهای داشت. با پیشرفت سلاح و روی کار آمدن سلاح گرم توجه صنعتگران به تولید زرههایی جلب شد که به کمک صفحههای فولادی ضخیمتر و صفحههای سنگین اضافی بتوانند از بدن انسان در مقابل گلوله محافظت کنند. این کار باعث سنگینی زره شده و استفاده از آن برای شخص تن کننده طاقت‌فرسا می‌گردد. مهندسین در دهه ???? یک جلیقه مقاوم در برابر گلوله و مناسب را ساختند که بر خلاف زره‌های سنتی بسیار راحت بود. جلیقه‌های ضد گلوله سبک از فلز ساخته نشده بود بلکه از بافت‌های فیبری که قابل دوخت بر روی جلیقه و دیگر لباس‌های سبک می‌باشد، ساخته‌شده‌اند. در سال 1965 شرکت داپونت1 الیافی با نام تجاری کولار2 (از خانواده آرامید) تولید و از آن پارچه تولید کرد. در ابتدا کولار در صنعت لاستیک سازی و سپس در تولیدات گوناگونی مثل طناب و واشر و قسمت‌های مختلف هواپیما و قایق استفاده گردید. در سال 1971 الیاف کولار به عنوان جایگزین الیاف نایلون در جلیقه‌های ضد گلوله معرفی شد. در حال حاضر این الیاف یکی از مهم‌ترین الیاف مورد استفاده در تولید این نوع پوشاک می‌باشد]1[.
جلیقه‌های ضد گلوله امروزی، به دو نوع تقسیم می‌شود:
جلیقه‌های ضد گلوله سخت
جلیقه‌های ضد گلوله نرم
جلیقه‌های ضد گلوله سخت از صفحه‌های فلزی و یا سرامیکی ضخیم ساخته می‌شوند و به اندازه کافی برای انحراف گلوله و سایر سلاح‌ها مقاوم‌اند. مواد بکار رفته در این جلیقه‌ها، گلوله‌ها را با همان نیرویی که به داخل در حال وارد شدن است به خارج هل می‌دهند. به این ترتیب جلیقه غیرقابل نفوذ خواهد بود. جلیقه‌های ضد گلوله سخت حفاظت بیشتری را نسبت به جلیقه‌های ضد گلوله نرم ایجاد می‌کنند ولی طاقت‌فرسا تر هستند. افسرهای پلیس و کارکنان نظامی این نوع از لوازم حفاظتی را در هنگامی که میزان خطر احتمالی بالا باشد به تن می‌کنند؛ ولی برای استفاده‌های روزمره عموماً از جلیقه‌های ضد گلوله نرم که می‌توان به صورت ژاکت یا تیشرت معمولی به تن کرد، استفاده می‌کنند.
روش کار این جلیقه‌ها بسیار ساده است. در درون این جلیقه‌ها یک ماده ضد گلوله قرار دارد که در حقیقت یک توری بسیار قوی است. برای درک چگونگی عملکرد آن، تور دروازه فوتبال را در نظر بگیرید که در پشت دروازه بسته شده است. وقتی که توپ به دروازه شوت می‌شود، دارای انرژی زیادی است و در هنگام اصابت به تور، در یک نقطه مشخص تور را به عقب هل می‌دهد. هر رشته از یک سمت تیرک به سمت دیگر امتداد دارد و نیروی وارد آمده در آن نقطه مشخص را به سر تا سر تور پخش می‌کند. این نیرو به دلیل به هم بافته بودن رشته‌ها پخش می‌شود و به این طریق، همه قسمت‌های تور انرژی وارده از سوی توپ را جذب می‌کنند و فرقی نمی‌کند که گلوله به کدام قسمت از تور اصابت کرده باشد.
اگر یک تکه از ماده ضد گلوله را زیر میکروسکپ قرار دهیم، همین ساختار را مشاهده خواهد شد. رشتههای بلندی از الیاف که به هم تنیده شده‌اند تا یک ساختار توری شکل متراکم را تشکیل دهند. حال با توجه به اینکه یک گلوله بسیار سریع تر از توپ حرکت می‌کند، بنابراین این توری باید از مواد محکم تری ساخته شود. معروف‌ترین ماده‌ای که در ساخت جلیقه‌های ضد گلوله به کار میرود، الیافی به نام کولار است]2[؛ الیافی سبک‌وزن که ? برابر مقاوم تر از یک تکه فولاد، در همان وزن است. زمانی که این ماده به صورت یک تور متراکم در می‌آید، می‌تواند نیروی زیادی را جذب کند. به منظور جلوگیری از رسیدن گلوله به سطح بدن، جلیقه ضد گلوله باید برخلاف ضربه مستقیمی که گلوله وارد می‌کند، عمل کند .به تازگی استفاده از الیافی تار عنکبوت در تولید جلیقهها متداول شده است. استحکام این رشته حدود 20 مرتبه بالاتر از فولاد است]3[.
در هر حال دو عامل مهم در جلیقه‌های ضدگلوله، قابلیت جذب انرژی و سبکی آن‌ها میباشد. از این رو استفاده از موادی که دارای این خواص هستند برای دفع یا منحرف کردن گلوله مهم میباشد. جلیقههایی که تاکنون ساخته شده است ممکن است از مرگ جلوگیری کند اما همچنان باعث کبودی و آسیبدیدگی اندام‌های حیاتی بدن میشوند. از همین رو پژوهش برای رسیدن به بهترین ماده جهت استفاده در جلیقه ضدگلوله همچنان ادامه دارد. آخرین پژوهشهای صورت گرفته در این زمینه نشان میدهد که رشتههایی از جنس نانولوله کربنی3 حتی از ابریشم عنکبوت نیز مقاومتر هستند. نانولولههای کربنی به دلیل استحکام بالا، وزن کم و ظرفیت جذب انرژی بالا بهترین مواد جهت ساخت وسایل ضد ضربه به ویژه جلیقههای ضدگلوله هستند.
نانولولههای کربنی به دلیل خواص فوقالعاده مکانیکی و الکتریکی از سال 1991 که توسط ایجیما4 کشف شدهاند]4[؛ در کانون توجه محققان در سرتاسر جهان قرارگرفتهاند و کارهای بسیار وسیعی در حوزههای مختلف در مورد این مواد صورت گرفته است. پس از کشف نانولولههای کربنی محققین به انجام آزمایش بر روی این ساختار روی آوردهاند؛ اما صرف هزینههای بسیار زیاد برای انجام این آزمایشها محققان را بر آن داشت تا با استفاده از روشهای مختلف کامپیوتری به شبیهسازی رفتارهای مختلف این ماده بپردازند. از مهم‌ترین این روشها میتوان به روشهای آبینیشیو5 و شبیهسازی دینامیک مولکولی6 اشاره کرد. البته لازم به ذکر است که روش دینامیک مولکولی دارای دقت بسیار بالایی است؛ اما استفاده از آن نیاز به وقت و هزینههای زیادی دارد و بکارگیری آن برای همه مقدور نیست. این امر سبب شد تا محققین همچنان به دنبال روشی جامع و مطمئن باشند تا به وسیله آن بتوان نانولولههای کربنی را تحت بارگذاریها و شرایط مرزی مختلف مورد بررسی قرارداد.
از این رو در سال 2002 استفاده از خصوصیات ساختاری برای مدل‌سازی نانوساختارها پیشنهاد شد]5[. در طی سال‌های گذشته مدلهای مکانیک ساختاری تکامل یافته است؛ اما در تمامی مدلهایی که تاکنون ارائه شده است کاستیها و معایبی وجود دارد. در این پروژه با استفاده از مدل مکانیک ساختاری رفتار نانولوله تحت ضربه بالستیک بررسی شده و پارامترهای مهم در جذب انرژی مورد مطالعه قرار میگیرد]6[.
بر این اساس در فصلهای بعد ابتدا مروری بر کارهای انجام‌شده در زمینه شبیهسازی نانولولهها و پدیده ضربه روی این مواد صورت گرفته، سپس مقدمهای از نانولوله کربنی و شیوههای مدل‌سازی آن‌ها گفته شده و در ادامه به معرفی مدل استفاده شده در این پایاننامه و چگونگی ایجاد آن در نرم‌افزار آباکوس 7 پرداخته شده است. در انتها نیز رفتار نانولوله کربنی تحت ضربه بررسی و نتایج حاصل از آن با نتایج حاصل از مدلهای معتبر دیگر مقایسه شده است.
مروری بر مطالعات پیشین
مقدمه
با توجه به پیشرفت تکنولوژی و صنعت، بشر همواره به دنبال موادی بوده که نسبت به مواد موجود دارای ویژگیها و کیفیت برتری باشند. یکی از این مواد نانولولههای کربنی میباشد که در سال‌های گذشته استفاده از آن به دلیل ویژگیهای منحصربه‌فردی نظیر استحکام بالا، وزن سبک و قابلیت جذب انرژی بالا، افزایش یافته است]7[. ویژگی‌های یادشده از مهم‌ترین عوامل در ساخت تجهیزات ضدضربه از جمله جلیقههای ضد گلوله هستند. از این رو محققان به انجام آزمایش بر روی این ساختار روی آوردهاند. اما مشکلات موجود در کارهای تجربی مانند صرف هزینههای مالی بسیار زیاد، محققان را بر آن داشته تا با استفاده از روشهای مختلف کامپیوتری به مدل‌سازی و شبیهسازی رفتارهای مختلف این ماده بپردازند. روشهای مختلف کامپیوتری برای شبیهسازی نانولولهها پیشنهاد شده است که مهم‌ترین آن‌ها روش دینامیک مولکولی و مکانیک ساختاری می‌باشد. روش دینامیک مولکولی روش بسیار دقیقی است اما به دلیل حجم محاسبات بسیار بالا، این روش معمولاً به سیستمهای کوچک محدود میشود. روشی که در سال‌های اخیر مورد استفاده قرار گرفته، روش مکانیک ساختاری میباشد. در این سال‌ها روشهای مختلفی برای شبیهسازی مکانیک ساختاری نانولوله کربنی ارائه شده که هر کدام دارای عیب و کاستی بودهاند. مهم‌ترین عیب همه مدلهای گذشته محدودیت آن‌ها در پوشش تمام مسائل مکانیکی است. در این پایاننامه از یک مدل ساختاری برای شبیهسازی رفتار نانولولههای کربنی تحت ضربه استفاده شده است]6[. انواع روشهای مدلسازی در فصل 3 بررسی شده است.
در ادامه ابتدا به معرفی کارهای صورت گرفته بر روی نانولولهها با استفاده از این مدل میپردازیم؛ سپس کارهای انجام شده در زمینه ضربه روی نانولوله کربنی به روشهای دیگر معرفی میگردد. و در فصل‌های آینده به موضوع اصلی این پایاننامه، یعنی بررسی قابلیت جذب انرژی نانولوله کربنی تحت ضربه به شیوه مکانیک ساختاری و با استفاده از مدل معرفی شده، پرداخته میشود.
مطالعات پیشین
پروانه و همکاران(2009)
در سال 2009 پروانه و همکاران در مقالهای ضمن معرفی مدل ساختاری جدید برای شبیهسازی نانولوله کربنی، به بررسی رفتار کمانشی این ساختار تحت بار محوری فشاری پرداختند]8[. ضرورت ایجاد شرایط آزمایشگاهی مطلوب و گرانی تستها در کارهای تجربی از یک سو و صرف وقت زیاد در روش دینامیک مولکولی از سوی دیگر آن‌ها را بر این داشت تا با ارائه یک مدل ساختاری جدید به بررسی نانولولههای کربنی بپردازند. آن‌ها در این مقاله تأثیر انواع مختلف عیوب در موقعیتهای مختلف را بر بارها و کرنشهای کمانش انواع نانولولههای کربنی با طول و قطر مختلف بررسی نمودند. آن‌ها برای مدل‌سازی نانولوله کربنی از یک رابط و فنر غیرخطی برای شبیهسازی پیوند میان اتمهای کربن استفاده نمودند. در واقع این مدل ترکیبی از مدلهای مکانیک ساختاری گذشته میباشد.
با توجه به اینکه از این مدل در پایاننامه حاضر استفاده شده است؛ در فصل بعد به تفصیل در مورد این مدل توضیح داده خواهد شد. مقایسه کار آن‌ها با مدلهای دینامیک مولکولی نشاندهنده سازگاری خوبی بین مدل جدید ارائه شده با مدلهای دینامیک مولکولی میباشد.
نتیجه کار آن‌ها نشان داد:
عیوب تهیجای باعث به تأخیر افتادن مد کمانش اویلر میگردند.
یک عیب دو تهیجای، بیشتر از دو عیب تک تهیجای باعث کاهش در بار بحرانی کمانش خواهد شد.
موقعیت عیوب تهیجای در طول نانولوله، تأثیر بسیاری در بار بحرانی کمانش دارد؛ به طوری که محل بحرانی برای وجود عیب، در مرکز نانولوله میباشد.
پروانه و شریعتی(2010)
پروانه و شریعتی در ادامه کار خود در سال 2009 به بررسی خواص مکانیکی نانولوله کربنی پرداختند. آن‌ها با توجه به پراکندگی نتایج تجربی در زمینه پیشبینی مدول یانگ نانولوله کربنی، در سال 2010 در مقالهای به بررسی تأثیر انواع بارگذاری و عیوب بر مدول یانگ نانولوله کربنی تک جداره با استفاده از مدل ساختاری پرداختند]9[. در تمامی روشهای آزمایشگاهی باید از نانولوله کربنی به قدر کافی بزرگ استفاده شود. همچنین روشهای مختلفی برای به دست آوردن مدول یانگ نانولوله کربنی وجود دارد. آن‌ها در این بررسی مدول یانگ انواع مختلف نانولوله کربنی با طولها و اقطار مختلف را با روشهای گوناگون به دست آوردند(شکل(2-1)) و دریافتند که:
بهترین روش برای پیشبینی مدول یانگ نانولوله کربنی استفاده از تست پیچش میباشد.
عیوب مختلف تأثیر چندانی بر مدول یانگ نانولوله کربنی بزرگ ندارد. البته این تأثیر اندک در نانولوله کوچک بیشتر نمایان میباشد.
نانولولههای آرمچیر8 در مقابل عیوب نسبت به نوع زیگزاگ9 آن حساسترند.

شکل (‏2-1): مدول یانگ نانولوله کربنی تکجداره به عنوان تابعی از نسبت ظاهری نانولوله]9[
خلیلی و حقبین(2012)
در سال 2012 خلیلی و حقبین با ارائه مقالهای به بررسی پارامترهای طراحی نانوکامپوزیت تقویت‌شده با نانولوله کربنی تحت بار ضربهای پرداختند]10[. در این مقاله تأثیر قطر و نوع نانولوله کربنی بر رفتار ضربهای نانوکامپوزیت تقویت‌شده با این نانولولهها بررسی شده است. نانولوله کربنی بوسیله المانهای تیر در فضای قابمانند با روش المان محدود(FEM) شبیهسازی شده است(شکل(2-2)). برای شبیهسازی از نرمافزار آباکوس استفاده شده است.
شکل (‏2-2): نانوکامپوزیت شبیهسازی شده در آباکوس، شامل نانولوله و ماتریس]10[
آنها نتایج حاصل از این شبیهسازی را این‌گونه بیان نمودند:
نانولولههای کربنی با قطر کوچک‌تر، استحکام بهتری در برابر بار ضربهای به نانوکامپوزیت میدهند.
رفتار ضربهای نانوکامپوزیت به نوع نانولولهکربنی وابسته نیست.
بهترین راه برای بهبود خواص نانوکامپوزیت تحت بار ضربهای استفاده از نانولوله آرمچیر کوچکتر در حجم ماتریس بزرگ‌تر میباشد. بنابراین بهتر است در طراحی نانوکامپوزیت تحت بار ضربهای به جای نوع روی اندازه نانولولهکربنی متمرکز شد.
ژانگ و میلواگنام(2006)
ژانگ و میلواگنام در سال 2006 طی مقالهای قابلیت جذب انرژی نانولولههای کربنی را به شیوه دینامیک مولکولی و با استفاده از پتانسیل سه بعدی ترسوف – برنر10، مورد بررسی قراردادند]11[. آن‌ها در مقاله خود یک قطعه الماس با ابعاد 3.56×3.56×0.7?nm?^3 را به عنوان گلوله در نظر گرفتند به طوری که عرض این گلوله از عرض بزرگ‌ترین نانولوله بعد از برخورد و تغییر شکل بیشتر میباشد. آن‌ها ارتباط میان شعاع نانولوله، مکان نسبی برخورد گلوله و سرعت گلوله با میزان جذب انرژی توسط نانولوله کربنی تک جداره را بررسی نمودند. در کار آن‌ها گلوله با سرعت ثابت در بازه 100 تا 1500 متر بر ثانیه و از یک فاصله مشخص نسبت به محور مرکزی نانولوله و عمود بر این محور به آن برخورد میکند. نانولوله مورد استفاده در کار آن‌ها شامل سه نمونه نانولوله کربنی زیگزاگ با قطرهای 75/0 ، 41/1و 114/2 نانومتر و طولهای مختلف میباشد.
شرایط مرزی برای نانولوله به دو صورت یک سر گیردار و دو سر گیردار در نظر گرفته شد(شکل(2-3)). از اتلاف گرما در طی فرایند ضربه نیز صرف‌نظر شده است.
(ب)
(الف)شکل (‏2-3): مدل اولیه نانولوله کربنی (الف): دو سر گیردار و (ب): یک سر گیردار]11[.
آن‌ها مشاهده نمودند که وقتی گلوله به وسط نانولوله کربنی دو سر گیردار برخورد میکند؛ میزان جذب انرژی ماکزیمم میشود. درحالی‌که میزان جذب انرژی نانولوله یک سر گیردار هنگامی بیشینه است که گلوله در ارتفاع نسبی 0.6 نسبت به سر ثابت‌ به نانولوله کربنی برخورد میکند(شکل(2-4)). قطر نانولوله نیز در محل بیشینه شدن حداکثر انرژی جذب‌شده تأثیری ندارد.
شکل (‏2-4): ارتباط میان جذب انرژی و ارتفاع نسبی محل برخورد گلوله در نانولوله کربنی یک سر گیردار به قطر 0.75 نانومتر]11[
ژانگ و میلواگنام(2007)
ژانگ و میلواگنام در ادامه کار خود در سال 2006 به بررسی ظرفیت مقاومت نانولوله کربنی در برابر ضربه پرداختند]12[. آن‌ها در این کار به منظور نشان دادن تقریبی شرایط نانولولهها درکامپوزیتها فقط از نانولوله کربنی دو سر گیردار استفاده نمودند. علت این امر این است که آن‌ها بر این عقیده بودند که در مصارف صنعتی از نانولولهها، این مواد به شکل دو سر ثابت در کامپوزیتها استفاده میشوند. همچنین بازه سرعت را به 1000 تا 3500 متر بر ثانیه افزایش دادند. پارامترهایی نظیر مکان برخورد و سرعت گلوله را بررسی نمودند. و مشاهده نمودند که جذب انرژی در وسط نانولوله کربنی ماکزیمم شده و این امر مستقل از قطر نانولوله کربنی میباشد(شکل(2-5)). با افزایش قطر نانولوله قابلیت جذب انرژی بیشتر شده یعنی نانولولههای با قطر بزرگ‌تر در برابر سرعتهای بزرگ‌تری از گلوله مقاومت میکنند. همچنین آن‌ها دریافتند که وقتی گلوله در ارتفاع نسبی مختلف به نانولوله برخورد میکند، فرآیند برگشت گلوله در یک زمان تقریباً مشابه شروع میشود؛ اما افزایش و کاهش سرعت در موقعیتهای مختلف متفاوت است که این امر ناشی از وابستگی تغییر شکل نانولوله به ارتفاع نسبی محل برخورد گلوله میباشد. در نهایت نیز گلوله به یک سرعت ثابت رسیده که این سرعت از سرعت اولیه گلوله کمتر است(شکل(2-6)).
شکل (‏2-5): انرژی جذب‌شده نرماله شده توسط نانولوله کربنی با سه قطر مختلف بر حسب ارتفاع نسبی محل برخورد گلوله]12 [
شکل (‏2-6): نمودار ویژگیهای مختلف گلوله بر حسب زمان 1: سرعت گلوله 2: جابجایی گلوله و نانولوله 3: جابجایی گلوله برای نانولوله کربنی به قطر 41/1 نانومتر]12[
نانولوله کربنی
مقدمه
کربن یکی از معروف‌ترین و کارآمدترین عناصر در ساخت ترکیبات مختلف است.کلمه کربن از کلمه لاتین به معنای ” کربو11 ” گرفته شده است که رومیها آن را زغال چوب مینامند[13]. البته در دنیای مدرن، آن فراتر از یک زغال چوب میباشد. از کربن، فیبرهای با استحکام بالا، یکی از بهترین روانکنندهها(گرافیت)، سختترین کریستالها و مواد(الماس)، محصولات غیربلورین(کربن شبه شیشهای) و … به دست میآیند. توانایی یک عنصر در ترکیب با اتمهایش مختص کربن نمیباشد. اما این عنصر در تعداد و تنوع آلوتروپها منحصربهفرد میباشد. این عنصر بیشترین تعداد آلوتروپ را در میان عناصر دیگر دارا میباشد. خصوصیات آلوتروپهای مختلف کربن میتوانند بطور گسترده تغییر کنند. به عنوان مثال، الماس یکی از سختترین مواد شناخته‌شده و گرافیت یکی از نرمترین آنها میباشد. الماس یک عایق الکتریکی در حالیکه گرافیت یک هادی الکتریکی میباشد. در این میان نانولولههای کربن و فلورینها، توجه دانشمندان را بیشتر از دیگر شکلهای کربن به خود جلب کرده‌اند. اگرچه مدت زمان زیادی از کشف نانولولههای کربن و فلورین نمیگذرد؛ اما تحقیقات وسیعی در زمینه شناسایی، ساخت و بکارگیری آن‌ها در صنایع مختلف انجام‌شده و پیشرفتهای زیادی نیز در این رابطه صورت گرفته است.
کشف نانولوله کربنی
تاریخ لولههای نانومتری کربن گرافیتی به گذشتهای دور در سال 1952 برمیگردد. در آن سال رادشکویچ12 و لوکیانویچ13 تصاویر واضحی از لولههای 50 نانومتری کربن را در مجله روسی “شیمی فیزیک”14 به چاپ رساندند. با این وجود اغلب مقالات معروف و علمی، کشف ساختار اتمی C60 (شکل(3-1)) را سرآغاز این تحول جدید در علم نانو میدانند. در سال 1990 مقاله‌ای توسط دونالد هافمن15 از دانشگاه آریزونا و ولف گانگ16 کراشمر مبنی بر کشف ساختار جدیدی از کربن که دارای 60 اتم کربن است، در نشریه نیچر17 به چاپ رسید. ساختاری که تا قبل از آن تنها به صورت تئوری پیشبینی شده بود.
شکل (‏3-1): نمایی از ساختار اتمی C60
این امر سبب باز شدن دریچهای جدید به علم نانو گردید به طوریکه در سال 1991 ساختار شگفتانگیز دیگری از اتمهای کربن به نام نانولوله کربنی توسط ایجیما[4] کشف شد و توجه بسیاری از محققان و دانشمندان را به خود معطوف نمود. خواص منحصربه‌فرد مکانیکی و الکتریکی این ساختار برای محققین بسیار جالب و قابل توجه بود.
ساختار نانولوله کربنی
مکانیزم پیوندها در نانولولههای کربنی بسیار شبیه گرافن18 میباشد. عدد اتمی کربن 6 است و از نقطه‌نظر فیزیک اتمی، ساختار الکترونیکی این اتم میباشد. نانولولهها تماماً از پیوند sp2 تشکیل شدهاند مانند گرافیت. این ساختار پیوند از پیوند sp3که در الماس وجود دارد قویتر است و استحکام منحصربه‌فردی به این مولکولها میدهد. کوچک‌ترین ساختار واحد تشکیلدهنده یک نانولوله کربنی حلقهای متشکل از شش اتم کربن است. معمولاً برای مدل‌سازی و درک بهتر از ساختار نانولولههای کربنی، فرض میکنند که این نانولولهها از پیچیده شدن یک گرافن تشکیل یافتهاند(شکل(3-2)). در واقع نانولولهها در زمان تشکیل به صورت لولهای بوجود میآیند و توسط یک سرپوش نیمکره شبه فلوروئن بسته‌شده‌اند.
شکل (‏3-2): مکانیزم ساخت نانولوله کربنی[14]
اگر نانولوله از یک لایه گرافن لوله شده تشکیل یافته باشد، به آن نانولوله تکدیواره و اگر از چند لایه گرافن لوله شده هممرکز تشکیل یافته باشد، به آن نانولوله چنددیواره اطلاق میگردد. طول و قطر این ساختارها در مقایسه با نانولولههای تکدیواره بسیار متفاوت بوده که در نتیجه، خواص آن‌ها نیز بسیار متفاوت میباشد. همچنین در این نانولولهها فاصله بین لایهها در حدود 0.34 نانومتر معادل فاصله بین لایهای گرافیت میباشد. در یک صفحه گرافن، اتمهای کربن به صورت ساختارهای ششگوش در کنار یکدیگر قرارگرفته‌اند، به طوریکه هر اتم با سه اتم دیگر مجاور است.
حالتهای مختلف زیادی برای لوله کردن یک گرافن وجود دارد. جهت چرخش این لایه گرافن، نوع ساختار نانولولههای کربنی را به وجود میآورد. همان‌گونه که در شکل(3-3) مشاهده میشود، سه نوع ساختار متفاوت از پیچیده شدن لایه گرافن ایجاد میگردد.
جهت چرخش توسط یک بردار که به نام بردار چرخش یا بردار چیرال19 معروف است، بیان میشود. این بردار میتواند به صورت یک ترکیب خطی از بردارهای انتقال واحد در شبکه شش وجهی تعریف شود[15]:
(‏3-1)
که m وn اعداد صحیح هستند و a1 و a2 بردارهای شبکه شش وجهی گرافیت می‌باشند. زاویه بین a1 و a2 زاویه چیرال نامیده میشود که از رابطه زیر به دست میآید:
(‏3-2)
نانولولهها با بردارهای چیرال متفاوت، دارای خواص متفاوتی میباشند نظیر هدایت الکتریکی و استقامت مکانیکی متفاوت. جدول (3-1) پارامترهای مربوط به ساختارهای مختلف نانولولههای کربنی نظیر قطر و زاویه چیرال نانولولهها را نشان می‌دهد.

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید