دانشگاه آزاد اسلامی 

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مکانیک

عنوان :

کاربرد مکانیکی نانولوله های کربنی به روی مقاومت مواد کامپوزیتی برای تولید نسل جدید مواد کامپوزیتی با عملکرد بالا 

چکیده

تحقیقات اخیر کاربرد مکانیکی نانولوله های کربنی به روی مقاومت مواد کامپوزیتی برای تولید نسل جدید مواد کامپوزیتی با عملکرد بالا  متمرکز شده است.

خواص عالی مکانیکی نانولوله های کربنی  وقتی با نسبت مقاومت به وزن بالای آنها ترکیب می شود آنها را کاندیدای الیاف تقویت کننده برای کامپوزیت های با عملکرد بالا میکند.با وجود خواص عالی هر نانوتیوپ تنها،مدول الاستیسیته نانوکامپوزیت کم می باشد برای مثال شافر و ویندل  مدول یانگ کامپوزیت PVA(poly vinyl alcohol)  ،حدود 150Mpa گزارش دادند(131). مانع اصلی برای بهبود سختی ومقاومت نحوه پخش و انتقال بار می باشد. به منظور بهبود خواص کامپوزیت ها با تقویت کننده های نانولوله کربنی، عامل دار کردن نانولوله ها نیاز میباشد. مواد های کامپوزیتی تقویت شده با نانولوله های اصلاح شده مقاومت سایشی و مقاومت خوردگی وسختی و انعطاف پذیری بالاتری را نشان می دهند.به منظور استفاده از نانولوله های کربنی عامل دار شده باید درک درستی از خواص مکانیکی این نوع نانولوله داشتد.

شناختن مدول یانگ یک ماده اولین گام برای استفاده آن ماده به عنوان ماده ساختاری برای کاربرد های گوناگون می باشد.در عمل ساختارهای مهندسی بطور وسیع بر پایه الاستسسیته می باشند و در طراحی ها کرنش زیر حد الاستیک و بارهای ایمن نیز زیر حد الاستیک می باشد.

مدول یانگ مستقیما مربوط به چسبندگی جسم صلب و بنابراین به باندهای شیمیایی اتم های سازنده مربوط می شود.اگر دقیق تر نگاه کنیم به پیوند کوالانسی و انرژی جفت اتم ها به عنوان تابعی از ذرات مجزای داخلی،خواص الاستیک را مشخص می کند.

در این پژوهش بعد از مدل سازی و انجام محاسبات باروش از اساس ازکدDFTB+ ،که نتایج آن برای اجسام جامد کاملا با داده های تجربی سازگار می باشد، استفاده کنیم.در این پژوهش به بررسی اثر اضافه شدن گروه های عاملی کربوکسیل،هیدروکسیل وآمین روی مدول یانگ  نانولوله های کربنی تک دیواره ((SWCNTs در انواع فلزی (آرمیچر) و نیمه هادی (زیگزاگ) میپردازیم. نتایج نشان می دهد که عامل دار کردن اثر کمی روی مدول یانگ نانولوله تک دیواره زیگزاگ اما اثرزیادی روی آرمچیر دارد.همچنین اثرتعداد گروه عاملی را هم بررسی کردیم.نتایج کاهش مدول یانگ آنها را نشان میدهد.

  فصل اول  کلیات تحقیق

مقدمه

برخلاف اندازه بسیار  کوچک نانوذرات کاربردهای بسیار فراوان دارند. (سخنرانی مشهور فیمان[1]  در سال (1959 کسی در مورد نانوتکنولوژی قبل از سال 1974 صحبت نکرد تازمانی که توسط تاناگوچی[2]  معرفی شد.(3و4)این بدان معنا نمی باشد که ساختار های نانو قبل از آن وجود نداشته است.برای مثال قدمت فنجان لیکرگس[3] که در آن از نانوذرات طلا و نقره استفاده شده به قرن چهارم قبل ازمیلاد برمیگردد.(5)

شکل1-1: فنجان لیکرگس_نمایانگر مرگ شاه لیکرگس  _موزه بریتانیا

از زمان کشف نانولوله های کربنی این مواد به طور گسترده در فیزیک،شیمی و علم مواد به صورت تئوری  و تجربی مورد استفاده قرار گرفته اند.ساختار وخواص منحصر به فرد نانولوله های کربنی،آنها را برای کاربرد های متفاوت بالقوه ساخته است.

نانولوله های کربنی در سال 1991 توسط یک الکترو میکروسکپیست ژاپنی به نام سایمو ایجیما کشف شدند.

این مواد شامل هر دو ساختار تک دیواره SWCNTs[4] و چند دیواره می باشند.

نانولوله های کربنی تک دیواره ،موادی چند منظوره هستند که به عنوان عناصر موثر در ذخیره گاز،سنسور در باتری ها،به عنوان سیستم های الکترومکانیکی در نانو الکتریک،به عنوان عوامل سازگار زیستی،سنسور در پزشکی و دارو و به عنوان الیاف در کامپوزیت های با عملکرد بالا کاربرد دارد.برهمکنش متقابل SWCNTs با گونه های شیمیایی از موارد اصلی این کاربرد هاست.

با افزایش و تولید انواع مختلف کامپوزیت های با عملکرد بالا، که در آن از نانولوله های کربنی تک دیواره به عنوان الیاف استفاده می شود و با توجه به اینکه برای افزایش ضریب انتقال بار از ماتریس به الیاف و نیز کنترل نحوه پخش باید این نانولوله ها عامل دار شوند باید درک درستی از خواص مکانیکی نانولوله های عامل دار شده داشت.

بر این اساس ما بر آن شدیم تا در این پژوهش مدول یانگ نانولوله های کربنی تک دیواره (10,0) و (6,6)با گروه های عاملی [5]COOH, [6]NH2,  [7]OH  را بر پایه محاسبات کوانتومی بدست آوریم.

 1-2-1- نانولوله های کربنی

تا سال 1980 سه نوع ترکیب مختلف از آلوتروپی های مختلف عنصر کربن به نامهای الماس و گرافیت و کربن بی شکل شناخته شده بودند . ولی امروزه خانواده کاملی از سایر اشکال کربن کشف و شناسایی شده اند . در سال 1985 فولرین (C60) توسط Smally,Sean Obrien,Robert Curl  james Heath ,Harold kroto   کشف شد و Kroto,Curl,Smalley به خاطر این کشف جایزه نوبل شیمی را در سال 1985 دریافت کردند (91).

فولرین نخستین مولکولی کروی شناخته شده با کربن های مرتب شده در قالب کره­ای به شکل توپ فوتبال است . در این ساختار 60 اتم کربن وجود دارد و تعدادی از حلقه های پنج عضوی به وسیله حلقه های شش عضوی از هم جدا شده اند . نمونه دیگر راگبی بال (C70) است که بخاطر شباهت به توپ راگبی این نام برای آن انتخاب شده است . C70))  نسبت به فولرین یک حلقه شش کربنی بیشتر دارد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید