آخرین مقالات

خانه » پروژه دانشجویی » مکانیک و تاسیسات » دانلود پروژه مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی

دانلود پروژه مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی

فهرست علائم.. ر

فهرست جداول.. ز

فهرست اشکال.. س

 چکیده.. ۱

 فصل اول..

مقدمه نانو.. ۳

۱-۱ مقدمه.. ۴

   ۱-۱-۱ فناوری نانو.. ۴

۱-۲ معرفی نانولوله‌های کربنی.. ۵

   ۱-۲-۱ ساختار نانو لوله‌های کربنی.. ۵

   ۱-۲-۲ کشف نانولوله.. ۷

۱-۳ تاریخچه.. ۱۰

فصل دوم..

خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی.. ۱۴

۲-۱ مقدمه.. ۱۵

۲-۲ انواع نانولوله‌های کربنی.. ۱۶

   ۲-۲-۱ نانولوله‌ی کربنی تک دیواره (SWCNT). 16

   ۲-۲-۲ نانولوله‌ی کربنی چند دیواره (MWNT). 19

2-3 مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی.. ۲۱

   ۲-۳-۱ ساختار یک نانو لوله تک دیواره.. ۲۱

   ۲-۳-۲ طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره.. ۲۴

۲-۴ خواص نانو لوله های کربنی.. ۲۵

   ۲-۴-۱ خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن.. ۲۹

       ۲-۴-۱-۱ مدول الاستیسیته.. ۲۹

       ۲-۴-۱-۲ تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک.. ۳۳

       ۲-۴-۱-۳ تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها.. ۳۶

۲-۵ کاربردهای نانو فناوری.. ۳۹

   ۲-۵-۱ کاربردهای نانولوله‌های کربنی.. ۴۰

       ۲-۵-۱-۱ کاربرد در ساختار مواد.. ۴۱

       ۲-۵-۱-۲ کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی.. ۴۳

       ۲-۵-۱-۳ کاربردهای شیمیایی.. ۴۶

       ۲-۵-۱-۴ کاربردهای مکانیکی.. ۴۷

فصل سوم..

روش های سنتز نانو لوله های کربنی .. ۵۵

۳-۱ فرایندهای تولید نانولوله های کربنی.. ۵۶

   ۳-۱-۱ تخلیه از قوس الکتریکی.. ۵۶

   ۳-۱-۲ تبخیر/ سایش لیزری.. ۵۸

   ۳-۱-۳ رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD). 59

   ۳-۱-۴ رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD ).. 61

   ۳-۱-۵ رشد فاز  بخار.. ۶۲

   ۳-۱-۶ الکترولیز.. ۶۲

   ۳-۱-۷ سنتز شعله.. ۶۳

   ۳-۱-۸ خالص سازی نانولوله های کربنی.. ۶۳

۳-۲ تجهیزات.. ۶۴

   ۳-۲-۱ میکروسکوپ های الکترونی.. ۶۶

   ۳-۲-۲ میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM). 67

   ۳-۲-۳ میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی (SEM). 68

   ۳-۲-۴ میکروسکوپ های پروب پیمایشگر (SPM). 70

       ۳-۲-۴-۱ میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM). 70

       ۳-۲-۴-۲ میکروسکوپ های تونل زنی پیمایشگر (STM). 71

فصل چهارم..

شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته   ۷۳

۴-۱ مقدمه.. ۷۴

۴-۲ مواد در مقیاس نانو.. ۷۵

   ۴-۲-۱ مواد محاسباتی.. ۷۵

   ۴-۲-۲ مواد نانوساختار.. ۷۶

۴-۳ مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو.. ۷۷

   ۴-۳-۱ چارچوب های تئوری در تحلیل مواد.. ۷۷

       ۴-۳-۱-۱ چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد.. ۷۷

۴-۴ روش های شبیه سازی.. ۷۹

   ۴-۴-۱ روش دینامیک مولکولی.. ۷۹

   ۴-۴-۲ روش مونت کارلو.. ۸۰

   ۴-۴-۳ روش محیط پیوسته.. ۸۰

   ۴-۴-۴ مکانیک میکرو.. ۸۱

   ۴-۴-۵ روش المان محدود (FEM). 81

   ۴-۴-۶ محیط پیوسته مؤثر.. ۸۱

۴-۵ روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی.. ۸۳

   ۴-۵-۱ مدلهای مولکولی.. ۸۳

       ۴-۵-۱-۱ مدل مکانیک مولکولی ( دینامیک مولکولی).. ۸۳

       ۴-۵-۱-۲ روش اب انیشو.. ۸۶

       ۴-۵-۱-۳ روش تایت باندینگ.. ۸۶

       ۴-۵-۱-۴ محدودیت های مدل های مولکولی.. ۸۷

   ۴-۵-۲ مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها.. ۸۷

       ۴-۵-۲-۱ مدل یاکوبسون.. ۸۸

       ۴-۵-۲-۲ مدل کوشی بورن.. ۸۹

       ۴-۵-۲-۳ مدل خرپایی.. ۸۹

       ۴-۵-۲-۴ مدل  قاب فضایی.. ۹۲

۴-۶ محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته.. ۹۵

   ۴-۶-۱ کاربرد مدل پوسته پیوسته.. ۹۷

   ۴-۶-۲ اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل.. ۹۷

   ۴-۶-۳ اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله.. ۹۸

   ۴-۶-۴ اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله.. ۹۹

   ۴-۶-۵ محدودیتهای مدل پوسته پیوسته.. ۹۹

       ۴-۶-۵-۱ محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته.. ۹۹

       ۴-۶-۵-۲ محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته.. ۹۹

   ۴-۶-۶ کاربرد مدل تیر پیوسته  .. ۱۰۰

فصل پنجم..

مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی .. ۱۰۲

۵-۱ مقدمه.. ۱۰۳

۵-۲ نیرو در دینامیک مولکولی.. ۱۰۴

   ۵-۲-۱ نیروهای بین اتمی.. ۱۰۴

       ۵-۲-۱-۱ پتانسیلهای جفتی.. ۱۰۵

       ۵-۲-۱-۲ پتانسیلهای چندتایی.. ۱۰۹

   ۵-۲-۲ میدانهای خارجی نیرو.. ۱۱۱

۵-۳ بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته.. ۱۱۱

۵-۴ ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی.. ۱۱۳

   ۵-۴-۱ مدل انرژی- معادل.. ۱۱۴

       ۵-۴-۱-۱ خصوصیات  محوری نانولوله های کربنی تک دیواره.. ۱۱۵

       ۵-۴-۱-۲ خصوصیات  محیطی نانولوله های کربنی تک دیواره.. ۱۲۴

   ۵-۴-۲ مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS. 131

       ۵-۴-۲-۱ تکنیک عددی بر اساس المان محدود.. ۱۳۱

       ۵-۴-۲-۲ ارائه ۳ مدل تدوین شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS. 141

   ۵-۴-۳ مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB   ۱۵۵

       ۵-۴-۳-۱ مقدمه.. ۱۵۵

       ۵-۴-۳-۲ ماتریس الاستیسیته.. ۱۵۷

       ۵-۴-۳-۳ آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی.. ۱۵۸

       ۵-۴-۳-۴ تعیین و نگاشت المان.. ۱۵۸

       ۵-۴-۳-۵ ماتریس کرنش-جابجائی.. ۱۶۱

       ۵-۴-۳-۶ ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای.. ۱۶۲

       ۵-۴-۳-۷ ماتریس سختی برای یک حلقه کربن.. ۱۶۳

       ۵-۴-۳-۸ ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه.. ۱۶۷

       ۵-۴-۳-۹ مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه   ۱۶۸

 فصل ششم..

نتایج.. ۱۷۱

۶-۱ نتایج حاصل از مدل انرژی-معادل.. ۱۷۲

   ۶-۱-۱ خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره.. ۱۷۳

   ۶-۱-۲ خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره.. ۱۷۶

۶-۲ نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS. 181

   ۶-۲-۱ 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 ]۵۴MATLAB [. 182

   ۶-۲-۲ اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره   ۱۹۲

۶-۳ نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB   ۱۹۶

فصل هفتم..

نتیجه گیری و پیشنهادات .. ۲۰۳

۷-۱ نتیجه گیری.. ۲۰۴

۷-۲ پیشنهادات.. ۲۰۶

 فهرست مراجع ۲۰۷

چکیده

 از آنجائیکه شرکت های بزرگ در رشته نانو فناوری  مشغول فعالیت هستند و رقابت بر سر عرصه محصولات جدید شدید است و در بازار رقابت، قیمت تمام شده محصول، یک عامل عمده در موفقیت آن به شمار می رود، لذا ارائه یک مدل مناسب که رفتار نانولوله های کربن را با دقت قابل قبولی نشان دهد و همچنین استفاده از آن توجیه اقتصادی داشته باشد نیز یک عامل بسیار مهم است. به طور کلی دو دیدگاه برای بررسی رفتار نانولوله های کربنی وجود دارد، دیدگاه دینامیک مولکولی و  محیط پیوسته. دینامیک مولکولی با وجود دقت بالا، هزینه های بالای محاسباتی داشته و محدود به مدل های کوچک می باشد. لذا مدل های دیگری که حجم محاسباتی کمتر و توانایی شبیه سازی سیستمهای بزرگتر را با دقت مناسب داشته باشند  بیشتر توسعه یافته اند.

پیش از این بر اساس تحلیل های دینامیک مولکولی و اندرکنش های بین اتم ها، مدلهای محیط پیوسته، نظیر مدلهای خرپایی، مدلهای فنری، قاب فضایی، بمنظور مدلسازی نانولوله ها، معرفی شده اند. این مدلها، بدلیل فرضیاتی که برای ساده سازی در استفاده از آنها لحاظ شده اند، قادر نیستند رفتار شبکه کربنی در نانولوله های کربنی را بطور کامل پوشش دهند.

در این پایان نامه از ثوابت میدان نیرویی بین اتمها و انرژی کرنشی و پتانسیل های موجود برای شبیه سازی رفتار نیرو های بین اتمی استفاده شده و به بررسی و آنالیز رفتار نانولوله های کربنی از چند دیدگاه  مختلف می پردازیم، و مدل های تدوین شده را به شرح زیر ارائه می نمائیم:

  1. مدل انرژی- معادل
  2. مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS
  3. مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB

مدل های تدوین شده به منظور بررسی خصوصیات مکانیکی نانولوله کربنی تک دیواره بکار گرفته شده است. در روش انرژی- معادل، انرژی پتانسیل کل مجموعه و همچنین انرژی کرنشی نانو لوله کربنی تک دیواره بکار گرفته می شود. خصوصیات صفحه ای الاستیک برای نانو لوله های کربنی تک دیواره برای هر دو حالت صندلی راحتی و زیگزاگ  در جهت های محوری و محیطی بدست آمده است.

در  مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS ، به منظور انجام محاسبات عددی،  نانو لوله کربنی با یک مدل ساختاری معادل جایگزین می شود.

در  مدل اجزاء محدود سوم، کد عددی توسط نرم افزار MATLAB تدوین شده که از روش اجزاء محدود برای محاسبه ماتریس سختی برای یک حلقه شش ضلعی کربن، و تعمیم و روی هم گذاری آن برای محاسبه ماتریس سختی کل صفحه گرافیتی، استفاده شده است.

اثرات قطر و ضخامت دیواره بر روی رفتار مکانیکی هر دو نوع نانو لوله های کربنی تک دیواره و صفحه گرافیتی تک لایه  مورد بررسی قرار گرفته است. مشاهده می شود که مدول الاستیک برای هر دو نوع نانو لوله های کربنی تک دیواره با افزایش قطر لوله بطور یکنواخت افزایش و با افزایش ضخامت نانولوله، کاهش می یابد. اما نسبت پواسون با افزایش قطر ،کاهش می یابد. همچنین منحنی  تنش-کرنش برای نانولوله تک دیواره صندلی راحتی پیش بینی و تغییرات رفتار آنها مقایسه شده است. نشان داده شده که خصوصیات صفحه ای در جهت محیطی و محوری برای هر دو نوع نانو لوله کربنی و همچنین اثرات قطر و ضخامت دیواره نانو لوله کربنی بر روی آنها یکسان می باشد. نتایج به دست آمده در مدل های مختلف یکدیگر را تایید می کنند، و نشان می دهند که هر چه قطر نانو لوله  افزایش یابد، خواص مکانیکی نانولوله های کربنی به سمت خواص ورقه گرافیتی میل می کند.

نتایج این تحقیق تطابق خوبی را با نتایج گزارش شده نشان می دهد.

مقدمه نانو

۱-۱ مقدمه

۱-۱-۱ فناوری نانو

    نانو فناوری عبارت ازآفرینش مواد، قطعات و سیستم های مفید با کنترل آنها در مقیاس طولی نانو متر و بهره برداری از خصوصیات و پدیده های جدید حاصله در آن مقیاس می باشد. به عبارت دیگر فناوری نانو، ایجاد چیدمانی دلخواه از اتم ها و مولکول ها و تولید مواد جدید با خواص مطلوب است. فناوری نانو، نقطه تلاقی اصول مهندسی، فیزیک، زیست شناسی، پزشکی و شیمی است و به عنوان ابزاری برای کاربرد این علوم و غنی سازی آنها در جهت ساخت عناصر کاملاً جدید عمل می کند.

 از  لحاظ ابعادی، یک نانو متر اندازه ای برابر ۹-۱۰ متر است (شکل ۱-۱) . این اندازه تقریباً چهار برابر قطر یک اتم منفرد می باشد.

    خصوصیات موجی (مکانیک کوانتومی) الکترونها در درون مواد و اندرکنشهای اتمی، بوسیله ی تغییرات مواد در مقیاس نانو متری، تحت تأثیر قرار می گیرند. با ایجاد ساختارهای نانو متری، کنترل خصوصیات اساسی مواد مانند دمای ذوب، رفتار مغناطیسی و حتی رنگ آنها، بدون تغییر ترکیب شیمیایی ممکن خواهد بود. به کارگیری این پتانسیل، باعث ایجاد محصولات و فناوری های جدید با کارایی بسیار بالا خواهد شد که قبلاً ممکن نبوده است. سازمان دهی سیستماتیک ماده در مقیاس طولی نانو متر، مشخصه کلیدی سیستم های زیستی است.

    ساختارهای نانو، نظیر ذرات نانو و نانو لوله ها، دارای نسبت سطح به حجم خیلی بالایی اند، بنابراین اجزای ایده آلی برای استفاده در کامپوزیت ها، واکنش های شیمیایی و ذخیره از انرژی هستند.  از  آنجا که نانوساختارها خیلی کوچک اند، می توانند در ساخت سیستم هایی بکار برده شوند که چگالی المان خیلی بیشتری نسبت به انواع مقیاس های دیگر دارند. بنابراین قطعات الکترونیکی کوچک تر، ادوات سریع تر، عملکردهای پیچیده ترو مصرف بسیار کمتر انرژی را می توان با کنترل واکنش و پیچیدگی نانو ساختار، بطور همزمان بدست آورد.

    در حال حاضر، نانو فناوری یک تکنولوژی توانمند است، اما این پتانسیل را دارد که تبدیل به یک تکنولوژی جایگزین شود. فناوری نانو نه یک فناوری جدید، بلکه نگرشی تازه به کلیه ی فناوری های موجود است و لذا روش های مبتنی بر آن، در اصل همان فناوری های قبلی هستند که در مقیاس نانو انجام می شوند.

    مراکز علمی و دانشگاهی با آگاهی  از  توانایی های وقابلیت های نانو فناوری به تحقیق و پژوهش در این زمینه می پردارند. تفاوت هایی که در سال های اخیر در زمینه ی نانو بوجود آمده است، حاکی  از  افزایش رغبت به این حوزه می باشد. در گذشته، تحقیقات بر اساس علایق و تخصص های محقق پیش می رفت، اما اکنون اغلب کشورها دارای برنامه های مدون و راهبردی مشخص در این زمینه هستند و مراکز علمی و تحقیقاتی خود را مامور پیش برد این برنامه ها کرده اند.

 ۱-۲ معرفی نانولوله‌های کربنی

۱-۲-۱ ساختار نانو لوله‌های کربنی

    نانو لوله‌های کربنی [۱](CNTs) یک نوع آلوتروپ کربن هستند که  اخیراً کشف شده‌اند. آنها به شکل مولکول استوانه‌ای هستند و خواص شگفت انگیزی دارند که آنها را برای بکارگیری در بسیاری  از  کاربردهای نانوفناوری، الکترونیک، اپتیک و حوزه‌های دیگر علم مواد مناسب می سازد. آنها دارای استحکام خارق العاده‌ای بوده، خواص الکتریکی منحصر به فردی دارند، و هادی کارآمدی برای حرارت هستند.

یک نانولوله عضوی  از  خانواده فلورن هاست، که باکی بال‌ها را نیز شامل می‌شود. فلورن‌ها خوشه‌ی بزرگی  از  اتم‌های کربن در قالب یک قفس بسته می‌باشند و  از  ویژگی های خاصی برخوردارند که پیش  از  این در هیچ ترکیب دیگری یافت نشده بودند. بنابراین، فلورن‌ها به طور کلی خانواده‌ای جالب توجه  از  ترکیب‌ها را تشکیل می‌دهند که به طور قطع در کاربردها و فناوری‌های آینده مورد استفاده وسیع قرار خواهند گرفت.

    ساختارهای عجیب و غریب زیادی از فلورن‌ها[۲]، شامل: کروی منظم، مخروطی، لوله‌ای و همچنین اشکال پیچیده و عجیب دیگر وجود دارد. در اینجا ما به توضیح مهمترین و شناخته شده‌ترین آنها می‌پرد از یم. ساختار باکی بال[۳] در شکل کره و نانولوله به شکل استوانه است که معمولاً لااقل یک سر آن با درپوش نیم کروی  از  ساختار باکی بال پوشیده شده است

 نام آن  از  اندازه‌اش گرفته شده، زیرا قطر آن در ابعاد نانومتر (تقریباً ۵۰۰۰۰ برابر کوچکتر  از  قطر موی سر انسان) بوده و این در حالی است که طول آن می‌تواند به بلندی چند میلیمتر برسد. طول بلند چندین میکرونی و قطر کوچک چند نانومتری آنها نسبت طول به قطر بسیار بزرگی را نتیجه می‌دهد. لذا می‌توان آنها را تقریباً به صورت فلورن‌های یک بعدی در نظر گرفت. بدین ترتیب انتظار می‌رود این مواد  از  خواص جالب الکترونیکی، مکانیکی و مولکولی ویژه‌ای برخوردار باشند. مخصوصاً در اوایل، تمام مطالعات تئوری نانولوله‌های کربنی به بررسی اثر ساختار تقریباً یک بعدی آنها بر روی خواص مولکولی و الکترونیکی‌شان معطوف می‌شد.

    نانولوله‌ها در دو دسته‌ی اصلی وجود دارند: نانولوله‌های تک دیواره [۴](نانولوله ی کربنی تک دیوارهs) و نانو لوله‌های چند دیواره   [۵](MWNTs). نانولوله‌های تک دیواره را می‌توان به صورت ورقه‌های بلند گرافیت در نظر گرفت که به شکل استوانه پیچیده شده‌اند. نسبت طول به قطر نانولوله‌ها در حدود ۱۰۰۰ بوده و همانگونه که قبلاً ذکر شد می‌توان آنها را به عنوان ساختارهای تقریباً یک بعدی در نظر گرفت. نانولوله‌ها مشابه گرافیت تماماً  از  هیبرید SP2 تشکیل شده‌اند،. این ساختار هیبریدی،  از  هیبرید SP3 که در الماس وجود دارد قویتر است و استحکام منحصر به فردی به این مولکول‌ها می‌دهد. نانولوله‌ها معمولاً تحت نیروهای واندروالس[۶] به شکل ریسمان به هم می‌چسبند. تحت فشار زیاد، نانولوله‌ها می‌توانند با هم ممزوج و متصل شوند و این امکان به وجود می‌آید که بتوان سیم‌های به طول نامحدود و بسیار مستحکمی را تولید کرد.

 ۱-۲-۲ کشف نانولوله

    در سال ۲۰۰۶ مارک مونتیوکس[۷] و ولادیمیر کوزنشف[۸] در مقاله‌ای در ژورنال کربن به بیان مبدأ و منشا جالب، و اغلب تحریف شده‌ی نانولوله‌ها پرداخته‌اند. اغلب مقالات معروف و علمی، کشف لوله‌های نانومتری توخالی کربنی را به سومیوایجیما[۹]  از  NEC در سال ۱۹۹۱ نسبت می‌دهند.

    ولیکن تاریخ لوله‌های نانومتری کربن گرافیتی به گذشته‌ای دور در سال ۱۹۵۲ بر می‌گردد. در آن سال رادشکویچ[۱۰] و لوکیانویچ[۱۱] تصاویر واضحی از لوله‌های ۵۰ نانومتری کربنی را در مجله‌ی روسی «شیمی فیزیکی» به چاپ رساندند. ممکن است نانولوله‌های کربنی حتی قبل  از  آن سال هم ساخته شده بودند ولی تا زمان اختراع TEM امکان مشاهده‌ی مستقیم این ساختارها فراهم نبوده است (اشکال ۱-۳، ۴، ۵) . دانشمندان در غرب متوجه این کشف نشده بودند زیرا به دلیل جنگ سرد، تبادل اطلاعاتی بین شرق و غرب بسیار ضعیف بود، و نیز مقاله به زبان روسی به چاپ رسیده بود.

خــریــد ایــــن فـــایــــل

مطالب شابه مطلب فوق