پایان نامه مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانو لوله های کربنی

فهرست و منابع پایان نامه مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانو لوله های کربنی

فهرست:

 

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 معرفی نانولوله‌های کربنی.. 5

   1-2-1 ساختار نانو لوله‌های کربنی.. 5

   1-2-2 کشف نانو لوله. 7

1-3 تاریخچه. 10

 

فصل دوم 

خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی.. 14

2-1 مقدمه  15

2-2 انواع نانولوله‌های کربنی.. 16

   2-2-1 نانولوله‌ی کربنی تک دیواره (SWCNT). 16

   2-2-2 نانولوله‌ی کربنی چند دیواره (MWNT). 19

2-3 مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی.. 21

   2-3-1 ساختار یک نانو لوله تک دیواره 21

   2-3-2 طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره 24

2-4 خواص نانو لوله های کربنی.. 25

   2-4-1 خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن.. 29

       2-4-1-1 مدول الاستیسیته. 29

       2-4-1-2 تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک... 33

       2-4-1-3 تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها 36

2-5 کاربردهای نانو فناوری.. 39

   2-5-1 کاربردهای نانولوله‌های کربنی.. 40

       2-5-1-1 کاربرد در ساختار مواد. 41

       2-5-1-2 کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی.. 43

       2-5-1-3 کاربردهای شیمیایی.. 46

       2-5-1-4 کاربردهای مکانیکی.. 47

 

فصل سوم 

روش های سنتز نانو لوله های کربنی 55

3-1 فرایندهای تولید نانولوله های کربنی.. 56

   3-1-1 تخلیه از قوس الکتریکی.. 56

   3-1-2 تبخیر/ سایش لیزری.. 58

   3-1-3 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD). 59

   3-1-4 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD ) 61

   3-1-5 رشد فاز  بخار. 62

   3-1-6 الکترولیز. 62

   3-1-7 سنتز شعله. 63

   3-1-8 خالص سازی نانولوله های کربنی.. 63

3-2 تجهیزات   64

   3-2-1 میکروسکوپ های الکترونی.. 66

   3-2-2 میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM). 67

   3-2-3 میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی (SEM). 68

   3-2-4 میکروسکوپ های پروب پیمایشگر (SPM). 70

       3-2-4-1 میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM). 70

       3-2-4-2 میکروسکوپ های تونل زنی پیمایشگر (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 مقیاس نانو. 75

   4-2-1 مواد محاسباتی.. 75

   4-2-2 مواد نانوساختار. 76

4-3 مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو. 77

   4-3-1 چارچوب های تئوری در تحلیل مواد. 77

       4-3-1-1 چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد. 77

4-4 روش های شبیه سازی.. 79

   4-4-1 روش دینامیک مولکولی.. 79

   4-4-2 روش مونت کارلو. 80

   4-4-3 روش محیط پیوسته. 80

   4-4-4 مکانیک میکرو. 81

   4-4-5 روش المان محدود (FEM). 81

   4-4-6 محیط پیوسته مؤثر. 81

4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی.. 83

   4-5-1 مدلهای مولکولی.. 83

       4-5-1-1 مدل مکانیک مولکولی ( دینامیک مولکولی) 83

       4-5-1-2 روش اب انیشو. 86

       4-5-1-3 روش تایت باندینگ... 86

       4-5-1-4 محدودیت های مدل های مولکولی.. 87

   4-5-2 مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها 87

       4-5-2-1 مدل یاکوبسون. 88

       4-5-2-2 مدل کوشی بورن. 89

       4-5-2-3 مدل خرپایی.. 89

       4-5-2-4 مدل  قاب فضایی.. 92

4-6 محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته. 95

   4-6-1 کاربرد مدل پوسته پیوسته. 97

   4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل.. 97

   4-6-3 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله. 98

   4-6-4 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله. 99

   4-6-5 محدودیتهای مدل پوسته پیوسته. 99

       4-6-5-1 محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته. 99

       4-6-5-2 محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته. 99

   4-6-6 کاربرد مدل تیر پیوسته   100

 

فصل پنجم 

مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی 102

5-1 مقدمه  103

5-2 نیرو در دینامیک مولکولی.. 104

   5-2-1 نیروهای بین اتمی.. 104

       5-2-1-1 پتانسیلهای جفتی.. 105

       5-2-1-2 پتانسیلهای چندتایی.. 109

   5-2-2 میدانهای خارجی نیرو. 111

5-3 بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته. 111

5-4 ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی.. 113

   5-4-1 مدل انرژی- معادل. 114

       5-4-1-1 خصوصیات  محوری نانولوله های کربنی تک دیواره 115

       5-4-1-2 خصوصیات  محیطی نانولوله های کربنی تک دیواره 124

   5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS. 131

       5-4-2-1 تکنیک عددی بر اساس المان محدود. 131

       5-4-2-2 ارائه 3 مدل تدوین شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS. 141

   5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB.. 155

       5-4-3-1 مقدمه. 155

       5-4-3-2 ماتریس الاستیسیته. 157

       5-4-3-3 آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی.. 158

       5-4-3-4 تعیین و نگاشت المان. 158

       5-4-3-5 ماتریس کرنش-جابجائی.. 161

       5-4-3-6 ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای.. 162

       5-4-3-7 ماتریس سختی برای یک حلقه کربن.. 163

       5-4-3-8 ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه. 167

       5-4-3-9 مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه. 168

 

فصل ششم 

نتایج   171

6-1 نتایج حاصل از مدل انرژی-معادل. 172

   6-1-1 خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره 173

   6-1-2 خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره 176

6-2 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS. 181

   6-2-1 نحوه مش بندی المان محدود نانولوله های کربنی تک دیواره در نرم افزار ANSYS و ایجاد ساختار قاب فضایی و مدل سیمی به کمک نرم افزار ]54MATLAB [  182

   6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره 192

6-3 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB.. 196

 

فصل هفتم 

نتیجه گیری و پیشنهادات 203

7-1 نتیجه گیری.. 204

7-2 پیشنهادات.. 206

 

فهرست مراجع 207

 

منبع:

 

http://www.irannano.org ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

S. Iijima, Nature 354 (1991) 56–58

Sumio Iijima, “Carbon nanotubes: past, present, and future”, Physica B, 2002 , 323 1–5

Dong Qian, Gregory J Wagner, and Wing Kam Liu, Mechanics of carbon nanotubes

V.M. Harik, T.S. Gates and M.P. Nemeth, Applicability of the Continuum-shell Theories to the Mechanics of Carbon Nanotubes, NASA/CR-2002-211460 ICASE Report No. 2002-7

H. Rafii-Tabar. Computational modeling of thermo-mechanical and transport properties of carbon nanotubes Physics Reports 390 (2004) 235.

Deepak Srivastava, Chenyu Wei and Kyeongjae Cho, Nanomechanics of Carbon Nanotubes and Composites, Applied Mechanics Review Vol. 56,No. 2,2003.

Ji Zang, Andrejs Trei bergs, Y. Han and Feng Liu, Geometric Constant Defining Shape Transition of a asingle Carbon Nanotube, Physical Review Letters, Vol.92, No. 10,2004.

D.Y.Sun, D.J.Shu, M.Ji Feng Liu, M. wang and X.G.Gong, Pressure-induced Hard to soft Transition of a single Carbon Nanotube, Physical Review  B 70, 165417, 2004.

Q. Wang and V.K. Varadan, Stability Analysis of Carbon Nanotubes Via Continuum Models, Smart Materials and Structures, 281-286, 2005.

M. Dao, L. Lu, R.J. Asaro, J.T.M. De Hosson, E. Ma, Toward a quantitative understanding of mechanical behavior of nanocrystalline metals, Acta Mater 2007; In press

Thomas S.Gate and Jeffrey A.Hinkley, Computational Materials:Modeling and Simulation of Nanostructured Materials and Systems, NASA/TM-2003-212163, 2003.

W. M. Lai, D. Rubin, E.Kremple, Introduction to continuum mechanics 3rd ed. Pergamon Press 1985

P.K. Valavala and G.M. Odegard, MODELING TECHNIQUES FOR DETERMINATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF POLYMER NANOCOMPOSITES, Rev.Adv.Mater.Sci. 9 (2005) 34-44

Yakobson BI, Brabec CJ, Bernholc J. Nanomechanics of carbon, tubes: instabilities beyond linear range. Phys Rev Lett 1996; 76(14):2511–4.

Gregory M. Odegarda, Thomas S. Gatesb, Lee M. Nicholsonc, Kristopher E. Wised, Equivalent-continuum modeling of nano-structured materials, Composites Science and Technology 62 (2002) 1869–1880

Chunyu Li, Tsu-Wei Chou . International Journal of Solids and Structures 40 (2003) 2487–2499

K.I. Tserpes, P. Papanikos . Composites: Part B 36 (2005) 468–477

V.M. Harik, Computational Materials Science: Mechanics of carbon nanotubes: applicability of the continuum-beam models (2002) 328–342

Rappe, A.K., Casewit, C.J., Colwell, K.S., 1992. A full periodic-table force-field for molecular mechanics and molecular dynamics, simulations. Journal of American Chemical Society 114, 10024–10035

Brenner, D.W., 1990. Empirical potential for hydrocarbons for use in simulating the chemical vapor deposition of diamond films. Physical Review B 42, 9458.

Cornell, W.D., Cieplak, P., Bayly, C.I., 1995. A second generation force-field for the simulation of proteins, nucleic-acids, and organic molecules. Journal of American Chemical Society 117, 5179–5197.

Tersoff, J., 1992. Energies of fullerenes. Physics Review B 46, 15546–15549

Zhang, P., Huang, Y.,Gao, H., Hwang, K.C. “Fracture nucleation in single-wall carbon nanotubes under tension: continuum analysis incorporating interatomic potentials”, J.Appl.Mech ,2002a,Trans.ASME 69,454–458.

Zhang, P., Huang, Y., Geubelle, P.H., Klein, P., Hwang, K.C., “The elastic modulus of single-wall carbon nanotubes: continuum analysis incorporating interatomic potentials” Int.J.Solids Struct ,2002b,39,3893–3906.

G.I. Giannopoulos, P.A. Kakavas, N.K.Anifantis , “Evaluation of the effective mechanical properties of single walled carbon nanotubes using a spring based finite element approach”, Computational Materials Science,2007

Marco Rossi, Michele Meo, Composites Science and Technology: On the estimation of mechanical properties of single-walled carbon nanotubes by using a molecular-mechanics based FE approach , ARTICLE IN PRESS(2008)

T.Changa, H. Gao, “Size-dependent elastic properties of a single-walled carbon nanotube via a molecular mechanics model”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 51 ,2003,1059 – 1074

J.R. Xiao, B.A. Gama, J.W. Gillespie Jr., “An analytical molecular structural mechanics model for the mechanical properties of carbon nanotubes”, International Journal of Solids and Structures 42, 2005, 3075–3092.

Yongdong Wu,b, Xiaochun Zhang, A.Y.T. Leung,_, Weifang Zhong, Thin-Walled Structures, An energy-equivalent model on studying the mechanical properties of single-walled carbon nanotubes, (2006) 667–676

J.R. Xiao , S.L. Lopatnikov , B.A. Gama, J.W. Gillespie Jr. “Nanomechanics on the deformation of single- and multi-walled carbon nanotubes under radial pressure”, Materials Science and Engineering A 416 ,2006, 192–2.

Chunyu Li, Tsu-Wei Chou, Composites Science and Technology: Elastic moduli of multi-walled carbon nanotubes and the effect of van der Waals forces, (2003) 1517–1524

A.L. Kalamkarov,*, A.V. Georgiades, S.K. Rokkam, V.P. Veedu, M.N. Ghasemi-Nejhad: (2006) 6832–6854

K.I. Tserpes , P. Papanikos, G. Labeas, Sp.G. Pantelakis: Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Multi-scale modeling of tensile behavior of carbon nanotube-reinforced composites: (2008) 51–60

Machida, K., 1999. Principles of Molecular Mechanics. John Wiley and Sons, Chichester, NY.

Haile, J.M, 1992. Molecular Dynamics Simulation: Elementary Methods. John Wiley and Sons, New York.

Walther, J.H., Jaffe, R., Halicioglu, T., Koumoutsakos, P., 2001. Carbon nanotubes in water: structural characteristics and energetics Journal of Physical Chemistry B 105 (41), 9980–9987.

Allinger, N.L., Yuh, Y.H., Lii, J.H., 1989. Molecular mechanics: the MM3 force field for hydrocarbons. Journal of the American Chemical Society 111, 8551–8566.

Jorgensen, W.L., Severance, D.L., 1990. Aromatic aromatic interactions-free energy profiles for the benzene dimmer in water, chloroform, and liquid benzene. Journal of American Chemical Society 112, 4768–4774.

T. Belytschko, S. Xiao, G. Schatz, R. Ruoff, Atomistic simulations of nanotube fracture, Physical Review B 65 (25) (2002) 235430

X. Sun, W. Zhao, Prediction of stiffness and strength of single-walled carbon nanotubes by molecular-mechanics based finite element approach, Materials Science and Engineering 390 (2005) 366–371

Riks E. Incremental approach to the solution of snapping and buckling problems. Int J Solids Struct 1979;15(7):529–51

Yang YB, McGuire M. A work control method for geometrically analysis. In: Middleton J, Pande GN, editors. Proc. nonlinear 1985 Int. Conf. Num. Meth. Engng.. Wales (UK): University College Swansea; 1985. p. 913–21.

Yang YB, Shieh MS. Solution method for nonlinear problems with multiple critical-points. AIAA J 1990;28:2110–6

B Jalalahmadi and R Naghdabadi, Journal of Physics: Finite Element Modeling Of single Walled-carbon nano tubes with introducing a new wall thickness, (2007) 497

G.M. Odegarda, T.S. Gatesb, K.E. Wisea, C. Parka, E.J. Siochic, Constitutive modeling of nanotube–reinforced polymer composites, Composites Science and Technology 63 (2003) 1671–1687.

.Kin-Tak Laua , Mircea Chipara, Hang-Yin Ling, David Hui, Composites: Part B, On the effective elastic moduli of carbon nanotubes for nanocomposite structures, (2004) 95–101

Antonio Pantano, David M.Parks, Mary C.Boyce, Mechanics of deformation of single- and multi-wall carbon nanotubes, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 52 (2004) 789 – 821.

A.R. Setoodeh, S. Safarian, Finite element modeling of single-walled carbon nanotubes, 2nd International Congress on Nanoscience & Nanotechnology , 28-30 October 2008 University of Tabriz, Iram

A.R. Setoodeh, S. Safarian, STUDYING THE EFFECTS OF WALL-THICKNESS AND DIAMETER ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF SWCNTS WITH CONTINUUM MODEL, 1th Conference on Application of Nanotechnology in Sciences, Engineering and Medicine February14 & 15, 2008, Islamic Azad University of  Mashhad - (NTC2008)

A.R. Setoodeh, S. Safarian, Studying the Effects of Wall-Thickness and Diameter on the Mechanical Properties of SWNTs, International Conference on MEMS and Nanotechnology (ICMN2008), 13-15 MAY 2008 , International Islamic University MALAYSIA

A.R. Setoodeh, S. Safarian ,STUDYING MECHANICAL PROPERTIES OF SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBE UNDER RADIAL PRESSURE WITH AN ENERGY-EQUIVALENT MODEL 1th Conference on Application of Nanotechnology in Sciences, Engineering and Medicine February14 & 15, 2008, Islamic Azad University of  Mashhad - (NTC2008)