پایان نامه جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد در
رشته مهندسی مکانیک – گرایش طراحی کاربردی
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 معرفی نانولوله‌های کربنی.. 5
1-2-1 ساختار نانو لوله‌های کربنی.. 5
1-2-2 کشف نانولوله. 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
فهرست علائم
تعریف علائم اختصاری
SWCNTs : Single-Walled Carbon Nanotubes
MWCNTs : Multi-Walled Carbon Nanotubes
CNTs : Carbon Nano Tubes
MWNTs : Multi-Walled Nano Tubes
FED : Field Emission Devices
TEM : Transmission Electron Microscope
SEM : Scanning Electron Microscopy
CVD : Chemical Vapor Deposition
PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
SPM : Scanning Probe Microscopy
NEMs : Nano Electro Mechanical System
AFM : Atomic Force Microscopy
STM : Scanning Tunnelling Microscopy
FEM : Finite Element Modeling
ASME : American Society of Mechanical Engineers
RVE : Representative Volume Element
SLGS: Single-Layered Grephene Sheet
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 4-1: اتفاقات مهم در توسعه مواد در 350 سال گذشته ……………………………………………………………..76
جدول 5-1: خصوصیات هندسی و الاستیک المان تیر………………………………………………………………………135
جدول5-2 : پارامترهای اندرکنش واندر والس ……………………………………………………………………………….150
جدول6-1: اطلاعات مربوط به مش بندی المان محدود مدل قاب فضایی در نرم افزار ANSYS ……………184
جدول6-2 : مشخصات هندسی نانولوله های کربنی تک دیواره در هر سه مدل …………………………………….185
جدول6-3 : داده ها برای مدول یانگ در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS …………………………………186
جدول6-4 : داده ها برای مدول برشی در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS …………………………………187
جدول6-5 : مقایسه نتایج مدول یانگ برای مقادیر مختلف ضخامت گزارش شده …………………………………194
جدول 6-6 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش صندلی راحتی ………………………………………196
جدول 6-7 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش زیگزاگ ……………………………………………..197
جدول 6-8 : مقایسه مقادیر E، G و به دست آمده از مدل های تدوین شده در این تحقیق با نتایج موجود در منابع ……………………………………………………………………………………………………………………………………….202
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل 1-1 : میکروگراف TEMکه لایه های نانو لوله کربنی چند دیواره را نشان می دهد ………………………….4
شکل 1-2 : اشکال متفاوت مواد با پایه کربن ……………………………………………………………………………………..6
شکل 1-3 : تصویر گرفته شده TEM که فلورن هایی کپسول شده به صورت نانولوله های کربنی تک دیواره را نشان می دهد ……………………………………………………………………………………………………………………………….7
شکل 1-4 : تصویر TEM از نانولوله کربنی دو دیواره که فاصله دو دیواره در عکس TEM nm 36/0 می باشد …………………………………………………………………………………………………………………………………………..8
شکل 1-5 : تصویر TEM گرفته شده از نانوپیپاد ……………………………………………………………………………..8
شکل 2-1 : تصویر نانو لوله های تک دیواره و چند دیواره کشف شده توسط ایجیما در سال 1991…………….15
شکل 2-2 : انواع نانولوله: (الف) ورق گرافیتی (ب) نانولوله زیگزاگ (0، 12) (ج) نانولوله زیگزاگ (6، 6) (د) نانولوله کایرال (2، 10) …………………………………………………………………………………………………………..17
شکل 2-3 : شبکه شش گوشه ای اتم های کربن ………………………………………………………………………………18
شکل2-4 : تصویر شماتیک شبکه شش گوشه ای ورق گرافیتی، شامل تعریف پارامترهای ساختاری پایه و توصیف اشکال نانولوله های کربنی تک دیواره ………………………………………………………………………………..19
شکل 2-5 : شکل شماتیک یک نانولوله کربنی چند دیواره MWCNTs ……………………………………………20
شکل 2-6 : نانو پیپاد ……………………………………………………………………………………………………………………21
شکل 2-7 : شکل شماتیک یک نانو لوله که از حلقه ها شش ضلعی کربنی تشکیل شده است …………………22
شکل2-8 : تصویر شماتیک یک حلقه شش ضلعی کربنی و پیوندهای مربوطه………………………………………..22
شکل 2-9 : تصویر شماتیک شبکه کربن در سلول های شش ضلعی …………………………………………………….23
شکل 2-10: توضیح بردار لوله کردن نانو لوله، بصورت ترکیب خطی از بردارهای پایه b , a …………………23
شکل2-11: نمونه های نانولوله های صندلی راحتی، زیگزاگ و کایرال و انتها بسته آنها که مرتبط است با تنوع فلورن ها ……………………………………………………………………………………………………………………………………24
شکل 2-12: تصویر سطح مقطع یک نانو لوله …………………………………………………………………………………..25
شکل 2-13: مراحل آزاد سازی نانو لوله کربن ………………………………………………………………………………..33
شکل 2-14 : مراحل کمانش و تبدیل پیوندها در یک نانو لوله تحت بار فشاری ……………………………………..36
شکل 2-15: نحوه ایجاد و رشد نقایص تحت بار کششی الف: جریان پلاستیک، ب: شکست ترد (در اثر ایجاد نقایص پنج و هفت ضلعی) ج: گردنی شدن نانو لوله در اثر اعمال بار کششی ………………………………………….38
شکل 2-16: تصویر میکروسکوپ الکترونی پیمایشی SEM اعمال بار کششی بر یک نانو لوله …………………39
شکل 2-17: شکل شماتیک یک نانولوله کربنی به عنوان نوک AFM. ……………………………………………….47
شکل2-18 : نانودنده ها ……………………………………………………………………………………………………………….50
شکل 3- 1: آزمایش تخلیه قوس ……………………………………………………………………………………………………56
شکل 3-2 : دستگاه تبخیر/سایش لیزری ………………………………………………………………………………………….58
شکل 3-3 : شماتیک ابزار CVD …………………………………………………………………………………………………60
شکل 3-4 : میکروگرافی که صاف و مستقیم بودن MWCNTs را که به روش PECVD رشد یافته نشان می دهد …………………………………………………………………………………………………………………………………….62
شکل 3-5 : میکروگراف که کنترل بر روی نانو لوله ها را نشان می دهد: (الف) 40–50 nmو (ب). 200–300 nm …………………………………………………………………………………………………………………………………62
شکل 3-6 : نانولوله کربنی MWCNT به عنوان تیرک AFM …………………………………………………………71
شکل 4-1 : تصویر شماتیک ارتباط بین زمان و مقیاس طول روشهای شبیه سازی چند مقیاسی …………………..75
شکل 4-2 : مدل سازی موقعیت ذرات در محیط پیوسته ……………………………………………………………………..77
شکل 4-3 : محدوده طول و مقیاس زمان مربوط به روشهای شبیه سازی متداول ……………………………………..82
شکل 4-4 : تصویر تلاقی ابزار اندازه گیری و روش های شبیه سازی …………………………………………………….82
شکل 4-5 : تصویر شماتیک وابستگی درونی روش ها و اصل اعتبار روش …………………………………………….83
شکل 4-6 : تصویر شماتیک اتمهای i،j وk و پیوندها و زاویه پیوند مربوطه ……………………………………………85
شکل 4-7 : موقعیت نسبی اتمها در شبکه کربنی برای بدست آوردن طول پیوندها در نانولوله ……………………85
شکل 4- 8 : المان حجم معرف در نانو لوله کربنی …………………………………………………………………………….90
شکل 4- 9 : مدلسازی محیط پیوسته معادل ………………………………………………………………………………………90
شکل 4- 10 : المان حجم معرف برای مدلهای شیمیایی، خرپایی و محیط پیوسته …………………………………….92
شکل4-11 : تصویر شماتیک تغییر شکل المان حجم معرف ……………………………………………………………….92
شکل4-12 : شبیه سازی نانو لوله بصورت یک قاب فضایی ………………………………………………………………..93
شکل4- 13 : اندرکنشهای بین اتمی در مکانیک مولکولی ………………………………………………………………….93
شکل4-14: شکل شماتیک یک صفحه شبکه ای کربن شامل اتم های کربن در چیدمان های شش گوشه ای.96
شکل 4-15: شکل شماتیک گروهای مختلف نانولوله کربنی ……………………………………………………………….97
پایان نامه کارشناسی ارشد مکانیک: مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی