مطالع? خواص و رفتار دینامیکی نانولوله های کربنی تحت بارگذاری های مکانیکی و حرارتی

مطالعات انجام شده در زمینه ی تحلیل خواص و رفتار دینامیکی نانوتیوب های کربنی نشان دهنده ی آن است که تحقیقات در این زمینه هنوز در مرحله ی مقدماتی قرار دارد که با توجه به پیشرفت سریع فناوری نانو و نیز کاربردهای وسیع نانوتیوب های کربنی، پژوهش در این زمینه جالب و ضروری به نظر می رسد. لذا در این رساله بر آنیم که با ارائه ی مدل مناسب پوسته های استوانه ای و گسترش شیوه ی حل عددی و تحلیلی، ابزاری آسان و صریح جهت بررسی مسائل مربوط به رفتار دینامیکی نانوتیوب های کربنی را در اختیار پژوهشگران قرار دهیم. با ارائه ی این مدل، مسائلی که در این رساله مورد تحلیل قرار گرفته است عبارتند از: اول، تأثیرات پارامترهای ابعادی و شرایط مرزی بر ارتعاشات متقارن محوری نانوتیوب های کربنی چند لایه با روش اجزاء محدود. دوم، به دست آوردن سرعت انتشار بین لایه ای موج شعاعی در نانوتیوب های چند لایه و بررسی تأثیرات غیر خطی شرایط مختلف ابعادی و فشار خارجی بر آن با روش اجزاء محدود. سوم، بررسی تأثیرات غیر خطی تغییرات دما بر ارتعاشات و گسترش موج شعاعی در نانوتیوب های چند لایه با روش اجزاء محدود. چهارم، به دست آوردن پاسخ زمانی نانوتیوب های چند لایه تحت تأثیر ضربه ی فشار داخلی یا خارجی با روش حل تحلیلی و استفاده از بسط سینوسی. پنجم، تحصیل پاسخ زمانی نانوتیوب های چند لایه تحت شوک حرارتی یکنواخت با روش حل تحلیلی و استفاده از بسط سینوسی. ششم، به دست آوردن پاسخ زمانی نانوتیوب های چند لایه تحت بارگذاری ضربه ای با روش حل تحلیلی و استفاده از بسط توانی. هفتم، به دست آوردن توزیع دمای ناشی از شوک حرارتی به سطوح نانوتیوب های کربنی چند لایه و هشتم، به دست آوردن توزیع تنش ناشی از شوک حرارتی به سطوح نانوتیوب ها. مقایسه ی نتایج حاصل از ارتعاشات آزاد یا بارگذاری های استاتیکی و دینامیکی با کارهای سایرین تطابق خوبی را نشان می دهد و حاکی از مناسب بودن مدل و راه حل ارائه شده در تحلیل خواص و رفتار دینامیکی نانوتیوب های کربنی است. اهم این نتایج حاکی از آن است که تأثیرات شرایط مرزی بر فرکانس های ارتعاشات آزاد شعاعی نانوتیوب های کربنی چند لایه فقط برای نسبت طول به قطرهای کوچک محسوس است. همچنین نیروهای واندروالس، فرکانس های ارتعاشات آزاد شعاعی هر یک از لایه ها را در مقایسه با حالتی که آن لایه مجزا باشد، افزایش می دهد. از طرفی، هنگامی که نسبت قطر به ضخامت افزایش یابد سرعت گسترش موج شعاعی در نانوتیوب های کربنی چند لایه کاهش می یابد؛ اما با افزایش فشار خارجی اولیه، سرعت گسترش موج شعاعی تقریباً به طور خطی افزایش می یابد. تأثیرات دمای محیط نیز بر خواص دینامیکی متقارن محوری نانوتیوب های کربنی چند لایه ی ضخیم، شدید تر از تأثیرات آن بر خواص نانوتیوب های کربنی چند لایه ی نازک است. در ثانی، تغییرات مشخصه های دینامیکی نانوتیوب های کربنی تا دمای 800 k اندک و قابل اغماض است؛ اما تغییرات آن در دماهای بالا تا 1600 k قابل ملاحظه است. در خصوص تنش های ایجاد شده تحت بارگذاری دینامیکی می توان گفت که در نانوتیوب های کربنی چند لایه با قطر خارجی ثابت و تحت شوک فشار خارجی، با افزایش تعداد لایه ها حداکثر تنش محیطی کاهش می یابد. اما حداکثر تنش محیطی ناشی از شوک حرارتی یکنواخت در نانوتیوب های کربنی چند لایه با قطر خارجی ثابت، با افزایش تعداد لایه ها افزایش یافته و در نانوتیوب کربنی چند لایه با ضخامت ثابت، با افزایش قطر خارجی کاهش می یابد. در این رساله با ارائه ی مدل پوسته های استوانه ای و گسترش شیوه ی حل عددی و تحلیلی، ابزاری آسان و دقیق جهت بررسی مسائل مربوط به رفتار دینامیکی نانولوله های کربنی توسعه داده شده است. با ارائه ی این مدل، مسائلی که در این رساله مورد تحلیل قرار گرفته است عبارتند از: اول، بررسی تأثیرات پارامترهای ابعادی و شرایط مرزی بر ارتعاشات متقارن محوری نانولوله های کربنی چند لایه با روش اجزاء محدود؛ دوم، به دست آوردن سرعت انتشار بین لایه ای موج شعاعی در نانولوله های چند لایه و بررسی تأثیرات غیر خطی شرایط مختلف ابعادی و فشار خارجی بر آن با روش اجزاء محدود؛ سوم، بررسی تأثیرات غیر خطی تغییرات دما بر ارتعاشات و گسترش موج شعاعی در نانولوله های چند لایه با روش اجزاء محدود؛ چهارم، تعیین پاسخ زمانی نانولوله های چند لایه تحت تأثیر ضربه ی فشار داخلی یا خارجی با روش حل تحلیلی و استفاده از بسط سینوسی؛ پنجم، تعیین پاسخ زمانی نانولوله های کربنی چند لایه تحت شوک حرارتی یکنواخت با روش حل تحلیلی و استفاده از بسط سینوسی؛ ششم، تعیین پاسخ زمانی نانولوله های چند لایه تحت بارگذاری ضربه ای با روش حل تحلیلی و استفاده از بسط توانی؛ هفتم، به دست آوردن توزیع دمای ناشی از شوک حرارتی به سطوح نانولوله های کربنی چند لایه و هشتم، به دست آوردن توزیع تنش ناشی از شوک حرارتی به سطوح نانولوله ها. مقایسه ی نتایج حاصل از ارتعاشات آزاد یا بارگذاری های استاتیکی و دینامیکی با کارهای سایرین تطابق خوبی را نشان می دهد. اهم این نتایج حاکی از آن است که تأثیرات شرایط مرزی بر فرکانس های ارتعاشات آزاد شعاعی نانولوله های کربنی چند لایه فقط برای نسبت طول به قطرهای کوچک محسوس است. از طرفی، هنگامی که نسبت قطر به ضخامت افزایش یابد سرعت گسترش موج شعاعی در نانولوله-های کربنی چند لایه کاهش می یابد؛ اما با افزایش فشار خارجی اولیه، سرعت گسترش موج شعاعی تقریباً به طور خطی افزایش می یابد. تأثیرات دمای محیط نیز بر خواص دینامیکی متقارن محوری نانولوله های کربنی چند لایه ی ضخیم، شدیدتر از تأثیرات آن بر خواص نانولوله های کربنی چند لایه ی نازک است. همچنین، تغییرات مشخصه های دینامیکی نانولوله های کربنی در دماهای کم قابل اغماض و دماهای بالا قابل ملاحظه است. در خصوص تنش های ایجاد شده تحت بارگذاری دینامیکی می توان گفت که در نانولوله های کربنی چند لایه با قطر خارجی ثابت و تحت شوک فشار خارجی، با افزایش تعداد لایه ها حداکثر تنش محیطی کاهش می یابد. اما حداکثر تنش محیطی ناشی از شوک حرارتی یکنواخت در نانولوله های کربنی چند لایه با قطر خارجی ثابت، با افزایش تعداد لایه ها افزایش یافته و در نانولوله کربنی چند لایه با ضخامت ثابت، با افزایش قطر خارجی کاهش می یابد. با استفاده از تحلیل انتقال حرارت گذرا در نانولوله های کربنی نتایج جالبی نیز حاصل شده است. هنگامی که به یک سطح از نانولوله کربنی چند لایه شوک حرارتی اعمال می شود، موج گرمایی ایجاد شده و در جهت های شعاعی و طولی با سرعت های مختلف گسترش می-یابند. با استفاده از تحلیل انتقال حرارت غیرفوریه، امکان افزایش قابل توجه دمای نقاطی از نانولوله تحت شوک حرارتی به حتی بیش از دمای شوک نیز وجود دارد. اختلاف بین مقادیر حداکثری تنش حاصل از دو نگره ی متفاوت انتقال حرارت فوریه و غیرفوریه در نانولوله های کربنی چند لایه تحت شوک حرارتی اعمال شده به سطوح استوانه ای لایه های داخلی یا خارجی چندان محسوس نیست؛ اما این اختلاف برای شوک حرارتی اعمال شده به سطح مقطع یک یا دو انتهای نانولوله آشکار است.