مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

دسته بندي : فنی و مهندسی » مکانیک
فهرست مطالب
عنوان صفحه

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 10

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