بررسی روش های ساخت و تولید کامپوزیت های حاوی صفحات باکی پیپر و مدل سازی مکانیکی آن ها

کامپوزیت ها با بر آورده کردن نیاز به موادی با خواص جدید مورد نظر در فناوری های روز و با توجه به سهولت تولید، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف به ویژه هوافضا و خودرو یافته اند. با ظهور نانوتکنولوژی دریچه ای نو بر روی رشته های مختلف علمی از جمله علم کامپوزیت گشوده شد و نانوکامپوزیت ها مطرح شدند. در این مواد از برتری های ماده در مقیاس نانومتری نسبت به حالت توده ای بهره برده می شود. به عنوان نمونه با کاهش اندازه ذرات تا مقیاس نانو، نسبت سطح به حجم ماده به شدت افزایش یافته و در نتیجه تعامل بین ماتریس و تقویت کننده بهبود چشمگیری می یابد. در میان نانوکامپوزیت ها، کامپوزیت های پلیمری که با نانولوله های کربنی تقویت می شوند به خاطر خواص ویژه نانولوله های کربنی از جایگاه خاصی برخوردارند. در شکل جدیدی از این نانوکامپوزیت ها که اخیراً مورد توجه قرار گرفته است، ابتدا صفحه ای ماکروسکوپیک، نازک و متخلخل، متشکل از شبکه ای تصادفی از دسته های نانولوله های کربنی به نام باکی پیپر تهیه می شود و سپس با نفوذ دادن رزین به داخل خلل و فرج آن، کامپوزیت تولید می گردد. نسبت استحکام به وزن بالا از جمله مزایای این نانوکامپوزیت است. در این تحقیق ابتدا مقدمات و مبانی لازم شامل نانوتکنولوژی، خواص عنصر کربن و آلوتروپ های آن به ویژه نانولوله های کربنی، کامپوزیت، نانوکامپوزیت و روش های مدل سازی بررسی شد. سپس روش های تولید باکی پیپر شامل فیلتراسیون سوسپانسیون، فشار با جسم متخلخل، فشردن با استفاده از اثر دومینو، تولید پیوسته و در هم آمیختن با آب و روش های قالب گیری با انتقال رزین به کمک خلأ و غوطه وری برای تولید کامپوزیت حاوی صفحات باکی پیپر مطالعه گردید. در ادامه با استفاده از روشی به نام مکانیک سازه ای مولکولی، که ترکیبی از روش های مکانیک سازه ای و مکانیک مولکولی است، همراه با روش اجزاء محدود (نرم افزار ansys)، مدل هایی مکانیکی برای گرافین، نانولوله های کربنی تک دیواره، نانولوله های کربنی چند دیواره، دسته های نانولوله، باکی پیپر و نانوکامپوزیت باکی پیپر/اپوکسی ایجاد گردید. در هر مرحله هندسه مدل با برنامه نویسی کد matlab تولید و سپس به صورت یک فایل ورودی apdl به ansys انتقال داده شد و اصلاحات احتمالی روی آن صورت گرفت. با استفاده از این مدل ها، رفتار الاستیک نانوساختارهای مذکور تحت بارگذاری های کششی، برشی یا پیچشی شبیه سازی شده و با به کار گیری روابط تئوری الاستیسیته مدول های یانگ و برشی آنها استخراج گردید. اثر پارامترهای مختلف نظیر طول صفحات گرافین، تعداد دیواره ها، قطر و کایرالیته نانولوله های کربنی، تعداد نانولوله ها در دسته های نانولوله، تخلخل باکی پیپر و هم راستایی دسته ها در نانوکامپوزیت باکی پیپر، بر مدول های الاستیک بررسی شد. نتایج حاصل برای نانولوله های کربنی به خوبی به مقادیر شناخته شده حدود 1000gpa برای مدول یانگ و 500gpa برای مدول برشی نزدیک است. مقایسه نتایج حاصل برای باکی پیپر و نانوکامپوزیت آن با مقادیر گزارش شده در سایر پژوهش های تئوری و تجربی (مدول یانگ باکی پیپر 0.2 تا 12.2gpa و مدول یانگ نانوکامپوزیت باکی پیپر 5 تا 45gpa) نیز هم خوانی خوبی را نشان می دهد و حاکی از کارامدی روش مدل سازی به کار گرفته شده است. نتایج، موید ایده تهیه نانوکامپوزیت از باکی پیپر می باشد زیرا خواص نانوکامپوزیت نسبت به خواص باکی پیپر و اپوکسی هر دو ارتقاء نشان می دهد به طوری که در برخی موارد این بهبود تا شش برابر خواص رزین خالص است.