دانلود مقاله مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

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… پیشنهاد می کنیم ادامه این مطلب مفید و ارزشمند را در مقاله مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی دنبال نمایید. این فایل شامل 229 صفحه و در قالب word ارائه شده است.

مشخصات فایل مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

عنوان: مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی
فرمت فایل : word (قابل ویرایش)
تعداد صفحات : 229
حجم فایل : 8,30 مگابایت

بخشی از  مقاله مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی را در ادامه مشاهده خواهید نمود.

مقدمه

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.

شکل 1-1: ميکروگراف [1]TEM که لايه هاي نانو لوله کربني چند ديواره  [2](MWCNTs)را نشان مي دهد.

    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 فناوري هاي جديد با کارايي بسيار بالا خواهد شد که قبلاً ممکن نبوده است. سازمان دهي سيستماتيک ماده در مقياس طولي نانو متر، مشخصه کليدي سيستم هاي زيستي است.

    ساختارهاي نانو، نظير ذرات نانو و نانو لوله ها، داراي نسبت سطح به حجم خيلي بالايي اند، بنابراين اجزاي ايده آلي براي استفاده در کامپوزيت ها، واکنش هاي شيميايي و ذخيره از انرژي هستند.  از  آنجا که نانوساختارها خيلي کوچک اند، مي توانند در ساخت سيستم هايي بکار برده شوند که چگالي المان خيلي بيشتري نسبت به انواع مقياس هاي ديگر دارند. بنابراين قطعات الکترونيکي کوچک تر، ادوات سريع تر، عملکردهاي پيچيده ترو مصرف بسيار کمتر انرژي را مي توان با کنترل واکنش و پيچيدگي نانو ساختار، بطور همزمان بدست آورد.

    در حال حاضر، نانو فناوري يک تکنولوژي توانمند است، اما اين پتانسيل را دارد که تبديل به يک تکنولوژي جايگزين شود. فناوري نانو نه يک فناوري جديد، بلکه نگرشي تازه به کليه ي فناوري هاي موجود است و لذا روش هاي مبتني بر آن، در اصل همان فناوري هاي قبلي هستند که در مقياس نانو انجام مي شوند.

    مراکز علمي و دانشگاهي با آگاهي  از  توانايي هاي وقابليت هاي نانو فناوري به تحقيق و پژوهش در اين زمينه مي پردارند. تفاوت هايي که در سال هاي اخير در زمينه ي نانو بوجود آمده است، حاکي  از  افزايش رغبت به اين حوزه مي باشد. در گذشته، تحقيقات بر اساس علايق و تخصص هاي محقق پيش مي رفت، اما اکنون اغلب کشورها داراي برنامه هاي مدون و راهبردي مشخص در اين زمينه هستند و مراکز علمي و تحقيقاتي خود را مامور پيش برد اين برنامه ها کرده اند.

1-2 معرفي نانولوله‌هاي كربني

1-2-1 ساختار نانو لوله‌هاي كربني

    نانو لوله‌هاي كربني [3](CNTs) يك نوع آلوتروپ كربن هستند كه  اخيراً كشف شده‌اند. آنها به شكل مولكول استوانه‌اي هستند و خواص شگفت انگيزي دارند كه آنها را براي بكارگيري در بسياري  از  كاربردهاي نانوفناوري، الكترونيك، اپتيك و حوزه‌هاي ديگر علم مواد مناسب مي سازد. آنها داراي استحكام خارق العاده‌اي بوده، خواص الكتريكي منحصر به فردي دارند، و هادي كارآمدي براي حرارت هستند.

يك نانولوله عضوي  از  خانواده فلورن هاست، كه باكي بال‌ها را نيز شامل مي‌شود. فلورن‌ها خوشه‌ي بزرگي  از  اتم‌هاي كربن در قالب يك قفس بسته مي‌باشند و  از  ويژگي هاي خاصي برخوردارند كه پيش  از  اين در هيچ تركيب ديگري يافت نشده بودند. بنابراين، فلورن‌ها به طور كلي خانواده‌اي جالب توجه  از  تركيب‌ها را تشكيل مي‌دهند كه به طور قطع در كاربردها و فناوري‌هاي آينده مورد استفاده وسيع قرار خواهند گرفت.

    ساختارهاي عجيب و غريب زيادي از فلورن‌ها[4]، شامل: كروي منظم، مخروطي، لوله‌اي و همچنين اشكال پيچيده و عجيب ديگر وجود دارد. در اينجا ما به توضيح مهمترين و شناخته شده‌ترين آنها مي‌پرد از يم. ساختار باکي بال[5] در شكل كره و نانولوله به شكل استوانه است كه معمولاً لااقل يك سر آن با درپوش نيم كروي  از  ساختار باکي بال پوشيده شده است (شكل 1-2) .

شکل 1-2: اشکال متفاوت مواد با پايه کربن

 نام آن  از  اندازه‌اش گرفته شده، زيرا قطر آن در ابعاد نانومتر (تقريباً 50000 برابر كوچكتر  از  قطر موي سر انسان) بوده و اين در حالي است كه طول آن مي‌تواند به بلندي چند ميليمتر برسد. طول بلند چندين ميكروني و قطر كوچك چند نانومتري آنها نسبت طول به قطر بسيار بزرگي را نتيجه مي‌دهد. لذا مي‌توان آنها را تقريباً به صورت فلورن‌هاي يك بعدي در نظر گرفت. بدين ترتيب انتظار مي‌رود اين مواد  از  خواص جالب الكترونيكي، مكانيكي و مولكولي ويژه‌اي برخوردار باشند. مخصوصاً در اوايل، تمام مطالعات تئوري نانولوله‌هاي كربني به بررسي اثر ساختار تقريباً يك بعدي آنها بر روي خواص مولكولي و الكترونيكي‌شان معطوف مي‌شد.

    نانولوله‌ها در دو دسته‌ي اصلي وجود دارند: نانولوله‌هاي تك ديواره [6](نانولوله ي کربني تک ديوارهs) و نانو لوله‌هاي چند ديواره   [7](MWNTs). نانولوله‌هاي تك ديواره را مي‌توان به صورت ورقه‌هاي بلند گرافيت در نظر گرفت كه به شكل استوانه پيچيده شده‌اند. نسبت طول به قطر نانولوله‌ها در حدود 1000 بوده و همانگونه كه قبلاً ذكر شد مي‌توان آنها را به عنوان ساختارهاي تقريباً يك بعدي در نظر گرفت. نانولوله‌ها مشابه گرافيت تماماً  از  هيبريد SP² تشكيل شده‌اند،. اين ساختار هيبريدي،  از  هيبريد SP³ كه در الماس وجود دارد قويتر است و استحكام منحصر به فردي به اين مولكول‌ها مي‌دهد. نانولوله‌ها معمولاً تحت نيروهاي واندروالس[8] به شكل ريسمان به هم مي‌چسبند. تحت فشار زياد، نانولوله‌ها مي‌توانند با هم ممزوج و متصل شوند و اين امكان به وجود مي‌آيد كه بتوان سيم‌هاي به طول نامحدود و بسيار مستحكمي را توليد كرد.

1-2-2 كشف نانولوله

    در سال 2006 مارك مونتيوكس[9] و ولاديمير كوزنشف[10] در مقاله‌اي در ژورنال كربن به بيان مبدأ و منشا جالب، و اغلب تحريف شده‌ي نانولوله‌ها پرداخته‌اند. اغلب مقالات معروف و علمي، كشف لوله‌هاي نانومتري توخالي كربني را به سوميوايجيما[11]  از  NEC در سال 1991 نسبت مي‌دهند.

    وليكن تاريخ لوله‌هاي نانومتري كربن گرافيتي به گذشته‌اي دور در سال 1952 بر مي‌گردد. در آن سال رادشكويچ[12] و لوكيانويچ[13] تصاوير واضحي از لوله‌هاي 50 نانومتري كربني را در مجله‌ي روسي «شيمي فيزيكي» به چاپ رساندند. ممكن است نانولوله‌هاي كربني حتي قبل  از  آن سال هم ساخته شده بودند ولي تا زمان اختراع TEM امكان مشاهده‌ي مستقيم اين ساختارها فراهم نبوده است (اشکال 1-3، 4، 5) . دانشمندان در غرب متوجه اين كشف نشده بودند زيرا به دليل جنگ سرد، تبادل اطلاعاتي بين شرق و غرب بسيار ضعيف بود، و نيز مقاله به زبان روسي به چاپ رسيده بود.

فهرست مطالب مقاله مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی, در ادامه قابل مشاهده می باشد.

• 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
• 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     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

در صورت تمایل شما می توانید مقاله مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی را به قیمت 16900 تومان از سایت فراپروژه دانلود نمایید. اگر در هر کدام از مراحل خرید یا دانلود با سوال یا ابهامی مواجه شدید می توانید از طریق آدرس contact-us@faraproje.ir و یا ارسال پیامک به شماره: 09382333070 با ما در تماس باشید. با اطمینان از وب سایت فراپروژه خرید کنید، زیرا پشتیبانی سایت همیشه همراه شماست.