تأثیر ذخیره سازی هیدروژن بر کمانش نانولوله های نیترید بور تحت بارگذاری فشاری محوری به روش شبیه سازی دینامیک مولکولی

نانولوله های نیترید بور، دارای ساختاری بسیار شبیه ساختار نانولوله های کربن بوده و خواص فیزیکی و مکانیکی مشابهی دارند، اما در دمای بالا خواص مکانیکی بهتری از خود به نمایش می گذارند و مقاومت بهتری در برابر اکسیژن در دمای بالا دارند. ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن در نانولوله های نیترید بور، به دلیل برخورداری از سطح ویژ? بالا و ساختار لوله ای شکل و به دلیل قوی تر بودن اندرکنش واندروالسی بین نانولوله های نیترید بور با مولکول هیدروژن به واسط? طبیعت قطبیت نسبی پیوندهای b-n در این نانولوله ها، نسبت به نانولوله های کربن بیشتر است. با در نظر گرفتن کاربردهای گسترده نانولوله های نیترید بور در زمینه هایی از قبیل ذخیره سازی هیدروژن، نانوکامپوزیتها و نوک میکروسکوپهای روبشی، هدف این رساله، مطالعه جامع رفتار کمانشی نانولوله های نیترید بور تحت بارگذاری فشاری از طریق شبیه سازی دینامیک مولکولی، به منظور تعیین مشخصات بحرانی کمانش این نانولوله ها است. با توجه به اهمیت موضوع ذخیره سازی هیدروژن و احتمال اثرگذاری جذب هیدروژن بر خواص مکانیکی نانولوله، اثر ذخیره سازی هیدروژن نیز بر رفتار کمانشی این نانولوله ها بررسی شده است. با الهام از ثبات نانولوله های نیترید بور در درجه حرارت بالا و مقاومت مکانیکی بالای آنها، اثر دما نیز بر ساختار و رفتار کمانشی نانولوله نیترید بور تحت بارگذاری مکانیکی فشاری بررسی شده است. از طرفی، با توجه به اینکه شرایط فرایندهای تولید نانولوله های نیترید بور می تواند باعث بروز نقص های طبیعی ساختاری شود که خواص مکانیکی و شیمیایی نانولوله ها به خصوص جذب هیدروژن را تغییر می دهند، علاوه بر مطالعه کمانش نانولوله های نیترید بور سالم، رفتار کمانشی نانولوله های نیترید بور دارای نقص نیز بررسی شده است. نتایج تحقیق نشان دادند که در دمای محیط، جذب درصدهای مختلف هیدروژن در نانولوله های نیترید بور باز باعث کاهش استحکام کمانشی نانولوله ها به طور متوسط به میزان 14% می شود. البته لازم به ذکر است که با افزایش درصد هیدروژن ذخیره سازی شده، حتی تا درصد نسبتاً بالایی در حد 5% وزنی، نیروی بحرانی کمانش تغییر قابل ملاحظه ای نیافته و درصد ذخیره سازی، ارتباط قابل ملاحظه ای با استحکام نانولوله ندارد. تعامل شیمیایی جاذبه یا دافعه مولکول های گاز جذب شده با دیواره نانولوله می تواند با ایجاد فرورفتگی یا برآمدگی در دیواره نانولوله باعث تضعیف استحکام کمانشی آن شود. در خصوص اثر دما بر نیروی کمانش فشاری نانولوله های نیترید بور گسترش تدریجی و کاهش تیزی قله های نمودار تابع توزیع شعاعی در دماهای بالا نمایانگر آن است که ساختار نانولوله در دماهای بالا انحراف بیشتری نسبت به ساختار اولیه خود در دمای اتاق نشان می دهد. نتایج بررسی استحکام کمانشی و کرنش بحرانی کمانش نانولوله ها در دمای بالا حاکی از تضعیف عمومی نانولوله ها و کاهش تدریجی استحکام کمانشی با افزایش دما است. با این حال، کاهش بار بحرانی کمانش برای نانولوله های بلند تر چشم گیرتر از نانولوله های کوتاه تر بوده است. همچنین ذخیره سازی 5% وزنی هیدروژن مولکولی در نانولوله، در دماهای مختلف بین دمای محیط تا 3000 کلوین، منجر به 7 تا 12% (بطور متوسط 10%) کاهش در استحکام کمانشی نانولوله های نیترید بور باز شده است. در زمینه وجود نقص در ساختار، نتایج نشان دهنده کاهش نیروی بحرانی کمانش محوری نانولوله ها در اثر وجود یک عیب تهی جایی می باشد. البته، انواع مختلف نقص تهی جایی تأثیرات مختلفی بر بار بحرانی کمانش نانولوله ها دارند و هر چه ساختار اولیه نانولوله های معیوب دچار ناهمواری های سطحی بیشتری باشد، بار بحرانی کمانش آنها نیز دچار کاهش بیشتری می شود. وجود یک عدد عیب تهی جایی دو اتمی b-n بطور میانگین باعث کاهش 29 درصدی در بار بحرانی کمانش در نانولوله ها می شود. پس از آن عیوب تهی جایی b و تهی جایی n بیشترین اثر را بر کاهش استحکام نانولوله دارند، که وجود یک عیب تهی جایی b در ساختار نانولوله منجر به کاهش متوسطی در حدود 15% و وجود یک عیب تهی جایی n در میانه ساختار نانولوله باعث کاهش متوسطی در حدود 12% در استحکام کمانشی نانولوله می شود. در پایان، نتایج حاصل از بررسی اثر وجود نقص بر استحکام کمانشی نانولوله های نیترید بور خالی و دارای ذخیره سازی 3% وزنی هیدروژن نشان دادند که ایجاد یک نقص دو اتمی b-n در میانه طول نانولوله بطور متوسط باعث کاهش استحکام کمانشی آن به میزان 28% می شود. این تحقیق با ارائه شبیه سازی های دقیق دینامیک مولکولی، می تواند دید دقیق و مناسبی از مشخصات و رفتار کمانشی نانولوله های نیترید بور سالم و دارای نقص را با ذخیره سازی هیدروژن تحت بار فشاری محوری و در دماهای کاری مختلف ارائه نماید و امکان استفاده موثر از این نانولوله ها در کاربردهای عملی گوناگون را فراهم نماید.