مطالعه خواص مکانیکی نانولوله های کربنی با استفاده از شبیه سازی عددی

نانو لوله های کربنی که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه ای توخالی ساخته شده است، در سال 1991 توسط سامیو ایجیما (از شرکت nec ژاپن) کشف شد. خواص مکانیکی نانولوله ها از قبیل مدول یانگ ، نسبت پواسان، کرنش بحرانی کمانش محوری و پیچشی از جمله مواردی هستند که متاثر از ساختار و هندسه نانو لوله ها می باشند. نانولوله ها از نظر آرایش اتم های کربنی به سه دسته zig-zag ، arm-chair و chiral تقسیم بندی می شوند. از نظر تعداد لایه ها نیز نانو لوله ها را می توان به تک جداره(swcnt) و چند جداره(mwcnt) تقسیم بندی کرد. روش های آزمایشگاهی و شبیه سازی مختلفی برای تعیین خواص نانولوله های کربنی تاکنون ارائه شده است که به دلیل مشکلات زیاد روش های آزمایشگاهی در مقیاس نانو، روش های شبیه سازی عددی کاربرد زیادی پیدا کرده است. علاوه بر آن تعیین همه خواص نانولوله های کربنی به روش آزمایشگاهی ممکن نیست. از میان روش های شبیه سازی عددی ارائه شده، می توان به دو روش مکانیک مولکولی و مکانیک سازه ای اشاره کرد که اخیرا مورد توجه محققان قرار گرفته است. در مکانیک مولکولی ذرات به صورت کروی و پیوندها بصورت فنر در نظر گرفته می شوند. از ریاضیات حاکم بر تغییر شکل فنرها می توان برای بیان خواص کششی، پیچشی و خمشی پیوند ها استفاده کرد. اتم های منفصل از هم به وسیله نیروی های واندروالس و الکتروستاتیک با هم در تقابل می باشند. در این تحقیق از تئوری mm3 که کاربرد زیادی در محاسبه انرژی هیدروکربن ها دارد، استفاده شده است. در این شبیه سازی با استفاده از روش نیوتن ابتدا انرژی کل مولکول مینیمم می شود. در واقع به کل اتم ها اجازه داده می شود تا بصورت آزاد برای مینیم شدن انرژی کل مولکول جابجا شوند. سپس یک بارگذاری به صورت جابجایی اولیه به کل اتم ها داده می شود. سپس دوباره انرژی کل ساختار این بار تحت شرایط مرزی بهینه می شود. در مکانیک سازه ای هر اتم را یک گره در نظر گرفته و از المان های قاب برای اتصالات اتم ها استفاده می شود. با ایجاد رابطه بین انرژی مکانیک مولکولی و انرژی مکانیک سازه ای می توانیم مدول الاستیسته و شعاع متناظر برای هر المان را با توجه روابط موجود به هر المان نسبت دهیم. درنهایت از نرم افزارansys و حل غیر خطی نیوتن-رافسون به منظور افزایش دقت استفاده شده است. از آنجا که بارگذاری پیچشی با لحاظ کردن تغییر شکل های بزرگ در نرم افزار بسیار مشکل است، از زبان برنامه نویسی پارامتریکansys (apdl)به منظور تعیین زاویه پیچش بحرانی استفاده شده است. در این تحقیق به بررسی پارامتریک اثر قطر، طول و ساختار نانولوله های کربنی بر خواص مکانیکی نانو لوله های کربنی از قبیل مدول یانگ، مدول برشی، نسبت پواسان، ضخامت معادل به روش مکانیک مولکولی پرداخته شده است. همچنین به بررسی تاثیر پارامترهای فوق بر کرنش بحرانی در کمانش محوری و پیچشی به روش های مکانیک مولکولی و مکانیک سازه ای پرداخته شده است و در نهایت نتایج با هم مقایسه شده اند.